先进的锂离子电池系统充电管理和保护

　　许多便携式设备选择锂离子 （Li-Ion） 化学电池作为其电池技术已经变得十分普遍。在要求的充电算法方面，这种化学电池已为人们所熟知，市场上有许多充电管理集成电路 （IC），而其颇具竞争力的低成本又推动它在更多应用中的使用。现在，电源、充电 IC 产品和系统架构种类繁多，工程师们忙于挑选出合适的充电和充电保护拓扑结构。本文介绍了获得最大安全性、可靠性和系统性能的一些重要的系统保护方法和先进充电管理。

　　过压和过电流保护的诸多挑战

　　诸如移动电话、媒体播放器或 GPS 系统的便携式终端设备通常都带有一个已知电源电压和电流特性的专用电源，且一般都具有一个专用插头。这样做的目的是避免消费者使用非许可电源或反向连接电源。今天，在更高能效需求的推动下，消费者和标准组织都要求通用电源接口，旨在让不同厂商的终端设备都能够使用标准化的 AC/DC 适配器或 USB 连接。

　　这给电源设计工程师带来了一个巨大的挑战，因为现在消费者控制着插入设备的电源。现在，要求在充电器电路前面增加保护电路来保护系统免受过电压和过电流情况的损坏，同时避免对终端设备带来严重的破坏。更重要的是，它要消除可能会给终端用户带来危险的安全风险。由于这种保护电路需要防止"大量未知情况"的发生，因此它必须在保证设备在规定限制范围内得到充电的同时，还要包括各种输入电源状态。一些实际应用情况的例子是符合中国通用标准充电器规范的 USB 充电，以及通过低成本、未调节墙上电源进行的充电。这些都可能会出现 10V 以上的临时开路电压，而且要求充电管理系统仍然充电至该阈值。这就给输入和输出保护电路提出了许多具体的要求。

　　在较高的电路板空间和成本限制条件下，保护解决方案的输入需要经受尽可能高的电压。它要在规定操作环境下通过电能，并在预计过压保护阈值 （OVP） 以上阻挡电能，同时不损坏设备。在解决方案的最大绝对额定值以上，它需要中断"开路"来避免潜在有害过电流进入系统。不管是电池供电还是直接由 AC 适配器供电，输出都必须保证电压电平不超出子系统的规范。通常，诸如电压保护和处理的子系统均不能承受使用对过压敏感的高性价、低压工艺技术所带来的高压输入瞬态。

　　从安全性和符合规范的角度来看，过电流保护和电流限制可能都是值得的，其目的是不超出上电时的浪涌电流极限或不超过最大 USB 电流规范。

　　图 1 描述了一个单节锂离子电池系统中充电器子系统输入保护的两种情况。在情况 A 中，充电功能主要由集成于一个低压电源管理单元的软件控制充电电路来实现。其通常为无线手持设备、GPS 导航系统或蓝牙耳机的高集成芯片组的组成部分。这种情况下，一个单独的过压和过电流保护 IC 对于增加必要的保护功能是非常有意义的。

　　在情况 B 中，充电功能由一个专用独立充电器 IC 来实现，它对电池充电和动态电源路径控制进行管理，以保证系统正常工作——即使是使用有缺陷、完全放电的电池组或电池组被去掉的情况下。为了最少化充电控制相关软件的开发工作，系统工程师可能会选择这种配置。此外，设计人员可能还想要保护系统，以免受锁定微控制器带来的多余、潜在非安全充电行为的损害。在这种应用情况下，在充电器IC中集成过电压保护和电流限制功能是有很合理的。

　　图 1 输入保护和充电管理的系统拓扑

　　情况 A：模拟基带的系统保护

　　在模拟基带所需集成度和成本水平给定的情况下，通常使用基于 CMOS 技术的 IC 工艺，其电压承受范围为 4.5 到 6 伏特 （V）。更低的半导体工艺电压一般意味着片上电源组件更高的数字密度和更小的硅芯片尺寸，例如：晶体管和二极管。这便带来更小的裸片尺寸和封装，从而获得更低的总系统成本。但是，其通常还伴随着更高的过压敏感度，从而产生电气过应力。

　　这就是说，保护解决方案的输出必须保证在任何输入环境下都不超出这个电平，包括静态 DC 操作电平和瞬态条件。理想情况下，它调节输出到某个预设限制，同时在没有损坏的情况下接受一个宽输入范围。在情况 A 中，假设基带 IC 和其他子系统组件可以承受约 6V 的绝对最大电压，例如：线性稳压器 （LDO） 和 DC/DC 开关式电源转换器等。因此，保护 IC 的输出被调节到额定 5.5V，以容许瞬态响应时间带来的调节容差。

　　该保护电路输入兼顾 "正常使用"环境、充电时正常操作期间出现的可承受瞬态条件，以及系统需要彻底保护的异常瞬态。

通过 USB 电源充电在当今十分流行，其中，USB 2.0 规范规定额定 VBUS 工作电压为 5V