电池充电器前端IC可显著提高充电系统的安全性
2010-12-18 11:27:12
来源：《半导体器件应用》2009年5月刊
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1简介
目前市场上有多种类型的适配器都可为锂离子(Li-ion)电池充电并为系统提供电源，它们的电气规格通常因制造商的不同而各异。这就对系统设计人员提出了严峻的挑战，因为他们需要在使用不同适配器的情况下构建能满足安全性与可靠性要求的便携式产品。本文将介绍德州仪器(TI)推出的一种新型电池充电器前端(CFE) IC解决方案bq243xx，专门为提高锂离子电池供电型系统的充电安全性进行了精心优化。采用bq243xx CFE的充电系统在电池组中结合使用电池充电器IC与保护模块，可实现更强大的系统级保护。
2充电系统的主要安全问题
输入过压、输入过流、电池过压或逆向输入电压都可能导致充电系统遭受损坏。
导致输入过压的原因有多种，如热拔插适配器、使用错误的适配器、瞬间或者持续处于过压状态。热拔插充电的、非稳压的或不正确的适配器或负载瞬态变化是引起过压最常见的情况。空载情况下的非稳压适配器可为适配器的输出电容进行充电，以达到峰值整流AC电压，约为额定DC电压的1.4倍。这是“低电压制程” (7V制程) IC常见的情况。图1显示了典型稳压适配器与非稳压适配器在输出电压方面的比较。
输入过流问题一般不会发生在独立式充电器上，因为它们的恒流模式会限制输出电流或电池的充电电流。但是，如果电源路径管理部件直接将输入连接至系统总线电压，这种情况下往往不会对过大电流提供保护。近来有人对适配器在其电流限制模式下工作的安全性问题感到担忧，并希望能采用可编程的输入电流限制电路来确保适配器不会工作在这种模式下。
众所周知，锂离子与锂聚合物电池组可能会因在高温下进行过度充电而导致火灾隐患。过充主要表现为电池电压过高。为提高电池的安全性，许多制造商纷纷增加了二级过压保护，以便在检测到电池过压情况时切断输入电源。
在采用通用连接器的情况下，有可能会将具有反极性的适配器连接至输入端。在没有输入反极性保护的情况下，基板与IC之间的寄生二极管将成为正向偏置，从而导致IC出现故障，甚至导致损坏。
3可实现电池充电器安全性的CFE解决方案
图2显示了具有bq243xx CFE的电池充电系统的标准电路。CFE能够通过将高输入电压与低压充电器和系统相隔离来保护系统免于遭受因输入过压导致的损坏。bq243xx产品系列具有软启动功能，不仅能够避免浪涌电流，并且还可提供输入电流调节与保护、输出电压限制/稳压，或电池过压保护等功能。此外还提供多项可选特性，如驱动外部FET以提供反极性保护的PGATE、故障状态指示、可编程输入电流限制以及启用/禁用输入电源功能等。
图3显示了bq24314 CFE对输入过压的典型响应情况。一旦输入电压达到预设定的输入过压阈值，则内部MOSFET开关便会在不到1微秒的延迟后立即关闭。
当系统负载超过输入电流的限值时，CFE就会激活输入电流调节环路，并根据CFE的设置限定最大电流。根据IC版本的不同，一般在过流保护启动15次之后在某个过流消隐时间，CFE将关闭MOSFET，并进入打嗝模式(hiccup mode)或锁存模式。bq24314 CFE对输入过流的典型打嗝与闭锁响应如图4所示。
尽管电池组自身可通过关闭与电池串联的保护MOSFET来实现电池的过压保护，但CFE的另一项关键功能是能够提供电池二级过压保护，以实现更高的安全性。当电池因电池充电器或保护MOSFET出现故障而导致过充时，CFE将能在176微秒延迟时间后关闭其输出，并在电池不再出现过压后恢复。
4 总结
CFE可对输入过压、输入过流、电池过压以及反输入极性提供全面而综合的保护，因而能显着提高电池供电系统的安全性。
目前市场上有多种类型的适配器都可为锂离子(Li-ion)电池充电并为系统提供电源，它们的电气规格通常因制造商的不同而各异。这就对系统设计人员提出了严峻的挑战，因为他们需要在使用不同适配器的情况下构建能满足安全性与可靠性要求的便携式产品。本文将介绍德州仪器(TI)推出的一种新型电池充电器前端(CFE) IC解决方案bq243xx，专门为提高锂离子电池供电型系统的充电安全性进行了精心优化。采用bq243xx CFE的充电系统在电池组中结合使用电池充电器IC与保护模块，可实现更强大的系统级保护。
2充电系统的主要安全问题
输入过压、输入过流、电池过压或逆向输入电压都可能导致充电系统遭受损坏。
导致输入过压的原因有多种，如热拔插适配器、使用错误的适配器、瞬间或者持续处于过压状态。热拔插充电的、非稳压的或不正确的适配器或负载瞬态变化是引起过压最常见的情况。空载情况下的非稳压适配器可为适配器的输出电容进行充电，以达到峰值整流AC电压，约为额定DC电压的1.4倍。这是“低电压制程” (7V制程) IC常见的情况。图1显示了典型稳压适配器与非稳压适配器在输出电压方面的比较。
输入过流问题一般不会发生在独立式充电器上，因为它们的恒流模式会限制输出电流或电池的充电电流。但是，如果电源路径管理部件直接将输入连接至系统总线电压，这种情况下往往不会对过大电流提供保护。近来有人对适配器在其电流限制模式下工作的安全性问题感到担忧，并希望能采用可编程的输入电流限制电路来确保适配器不会工作在这种模式下。
众所周知，锂离子与锂聚合物电池组可能会因在高温下进行过度充电而导致火灾隐患。过充主要表现为电池电压过高。为提高电池的安全性，许多制造商纷纷增加了二级过压保护，以便在检测到电池过压情况时切断输入电源。
在采用通用连接器的情况下，有可能会将具有反极性的适配器连接至输入端。在没有输入反极性保护的情况下，基板与IC之间的寄生二极管将成为正向偏置，从而导致IC出现故障，甚至导致损坏。
3可实现电池充电器安全性的CFE解决方案
图2显示了具有bq243xx CFE的电池充电系统的标准电路。CFE能够通过将高输入电压与低压充电器和系统相隔离来保护系统免于遭受因输入过压导致的损坏。bq243xx产品系列具有软启动功能，不仅能够避免浪涌电流，并且还可提供输入电流调节与保护、输出电压限制/稳压，或电池过压保护等功能。此外还提供多项可选特性，如驱动外部FET以提供反极性保护的PGATE、故障状态指示、可编程输入电流限制以及启用/禁用输入电源功能等。
图3显示了bq24314 CFE对输入过压的典型响应情况。一旦输入电压达到预设定的输入过压阈值，则内部MOSFET开关便会在不到1微秒的延迟后立即关闭。
当系统负载超过输入电流的限值时，CFE就会激活输入电流调节环路，并根据CFE的设置限定最大电流。根据IC版本的不同，一般在过流保护启动15次之后在某个过流消隐时间，CFE将关闭MOSFET，并进入打嗝模式(hiccup mode)或锁存模式。bq24314 CFE对输入过流的典型打嗝与闭锁响应如图4所示。
尽管电池组自身可通过关闭与电池串联的保护MOSFET来实现电池的过压保护，但CFE的另一项关键功能是能够提供电池二级过压保护，以实现更高的安全性。当电池因电池充电器或保护MOSFET出现故障而导致过充时，CFE将能在176微秒延迟时间后关闭其输出，并在电池不再出现过压后恢复。
4 总结
CFE可对输入过压、输入过流、电池过压以及反输入极性提供全面而综合的保护，因而能显着提高电池供电系统的安全性。
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