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标题: 便携式设备电池充电系统保护设计方案 [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-12 22:06
标题: 便携式设备电池充电系统保护设计方案
为便携式产品的电池充电有几种方式。以手机为例，我们可以利用墙式适配器或者其它充电设备充电，这种方式提供的电流可以达到2A，墙式适配器产生的高压有可能达到30V；也可以通过USB线来进行充电，它可以提供500mA的充电电流，但是USB线上的高压也有可能达到20V；同时，我们也可以通过手机对附件进行供电，比如调频收发器等外部附件。加强充电、供电保护，使电池的安全性更高、可用时间更长、可用电压更宽、充电时间更短、生命周期更长，是移动设备发展的一个趋势。
直流充电通道的保护（从墙式适配器到电池）
图 1是一个典型的充电电路示意图，该充电电路主要有以下几个问题：对于直接充电来讲，充电得不到保护；对于反向放电来讲，没有优化压降，同时也没有控制反向的放电电流。这些问题都会极大地影响系统的安全性、电池的可用时间以及电池的充电时间，与电池充电市场的发展趋势背道而驰，所以必须重新设计系统的保护方案。

图1 典型的充电电路示意图
   我们知道系统的保护仅仅依靠充电器本身是不够的，需要添加额外的设想保护方案（Box）。相应的保护方案有两种：第一种是将设想保护方案集成在充电器IC里，第二种是采用独立的外部器件来进行保护，目前的大趋势是采用独立的外部器件。
      针对对直接充电，设想保护方案首先应该解决浪涌电流效应的问题，其次应该解决正向和反向的过压保护，这两个保护功能是必须要有的。此外，还包括直接充电的过流保护以及电池电压的监测，这两项保护功能是可选的。
   浪涌电流效应。由于寄生电感和输入电容的影响，充电器在热插入时可能产生高压的振铃，损害集成电路，此时我们需要控制保护方案内部的MOSFET，使系统内部的电流和电压不超过额定值。
   正向和负向过压保护。由于AC-DC的瞬态、适配器故障或错误，保护方案的输出不能超过便携系统的最大额定电压，所以要保护源自墙式适配器的过压保障，需要具备+28V的正向过压保护以及-28V的反向过压保护。只有在过压比较器的输入比系统的最大额定电压低的时候，保护器件才能保持导通状态。
   直接充电通道的过流保护。如果直接充电通道出现过流的话，可能会损坏系统。但是过流保护特性应该为可选的，主要是因为：首先，充电电路内的充电电阻会检测充电电流，并且由充电IC来控制该充电电流；其次，AC/DC转换器的输出能力是有限的，如果出现过流，AC/DC转换器的电压会急剧的跌落。
   电池电压监测。截至目前为止，锂离子电池的最大电压为4.35V，在电池组中集成了电压监测功能，某些应用甚至集成了两个电池包的保护方案，而且充电电路也会监测电池电压，因此电池电压监测可以增加到设想的保护方案当中。但由于在系统中已经有多处提供了这种保护功能，因此该功能应该是可选的。
综上所述，设想保护方案（Box）必须具备下列特性：
1. 过压锁定能力。只有在总线电压低于系统的最大额定电压的时候，保护器件才应该是导通的。如果出现过压，保护器件应该处于断开状态以保护内部的系统。
2. 具备抗过压能力。采用墙式适配器充电的时候为+28V，利用USB充电的时候为+20V。
3. 具有电流通过能力。利用墙式适配器充电的时候，电流可能达到1A甚至2A；在使用USB充电时，最大电流为500mA，
4. 能够对浪涌电流进行控制。
5. 保护器件与充电IC应该相互独立。
如果具备了以上特性，直接充电通道将会得到良好的保护。
反向供电通道（从电池到附件）
   对于反向供电通道来讲，设想的解决方案（Box）必须解决以下几个问题：电池放电、反向过流、反向浪涌电流、短路保护，并尽量降低反向电路的电压电路。
   电池放电。当输入电压低于电池电压时，应该避免电池放电，因为此时附件可能是没有插入的。这时应该采用背对背的解决方案，在Vin小于Vbat的时候，防止电池漏电。只有在检测到附件时，才支持反向供电。

图2 建议解决方案
      反向过流保护功能。当连接错误的附件或有缺陷的附件的时候，电池仍然有可能放电到附件，而且反向放电的电流可能超过充电通道的电流通过能力。由于充电器无法检测到反向电流，因此需要增加另外的模块来检测反向电流。
      反向浪涌电流抑制。插入附件的时候，如果没有电流保护方案，可能从电池流出极高的浪涌电流，而且可能产生过高的振铃，从而损害器件，所以必须采用电流监测功能来控制反向MOSFET的门极，从而消除振铃和浪涌电流。
      短路保护。如果附件出现直接短路，可能会瞬时涌现源自电池的极高电流，所以保护器件应该提供过流保护，而且可以通过外部电阻对电流进行设置以适应不同的系统要求。另外，保护器件应该具有自动恢复功能，即当外部短路状况消除之后，系统会自动地恢复工作。
   从电池到外部附件的电压电路。必须降低电池和附件之间的损耗，如果电压电路过高的话，会产生额外的损耗，影响到电池的可用电压。
综上所述，设想的保护方案（Box）应该具备以下的特性：
1. 对于电池放电来讲，应该采用背对背的结构，防止电池漏电。
2. 应该具备反向过流保护功能。
3. 应该对反向浪涌电流进行控制。
4. 应该对反向供电通道的短路进行保护。
5. 导通电阻应该尽可能的低，即使通道的电压跌落尽可能的低，减少额外的损耗。
只有具备了以上特性，反向通道才能得到良好的保护。
因此，我们建议的解决方案的架构是：具有背对背的N-MOSFET、具备正向和反向的过压保护以及反向过流保护功能、具有极低的静态电流等功能。（图2）
集成解决方案的细节
图3所示为集成解决方案的细节框图，由于采用的是背对背的N-MOS结构，通过第一个N-MOS（标识1）的门极，可以防止浪涌电流进入系统内部，同时这个N-MOS也提供正向的过压保护。

图3 集成解决方案

图4 安森美OVP产品系列
背对背N-MOS结构的另一个N-MOS（标识2）提供-28V的过压保护。之前采用的一般是P-MOS，但相对于P-MOS，N-MOS的导通电阻更低，使电池能够工作在更低电压下。同时N-MOS支持更大的电流，而且这个N-MOS还通过检测电流来控制反向通道的浪涌电流，提供反向过流保护。
此外，方案还应提供过流保护（标识3），并且过流保护的电流值可以通过外部电阻设定。同时集成方案还要提供状态标记引脚（标识4）以及逻辑控制引脚（标识5），并控制芯片的工作模式。

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