內建鋰電池模擬電路　MCU提升充電器測試效率

2013-11-04

Mark Pallones

鋰電池充電器須嚴密測試以證明其性能和可靠性。然而，使用實際電池測試非常耗時也不方便，因此，業界遂興起透過電池模擬電路模擬充電特性的新方法，利用內建計時器和ADC的高性能MCU，設計人員可創建實際、靈活和功能全面的鋰離子電池模擬器電路，進行快速簡單的充電器測試。

行動裝置、筆記型電腦和PDA等電池供電的可攜式消費性電子設備的發展日新月異，複雜高階的功能不斷融入到外形小巧的產品中，隨之而來的是對電池電量的要求不斷提高。因此，在電池供電設備對高能量密度電池的要求愈來愈殷切之下，遂順勢推動鋰離子電池的普及。

鋰離子電池除具有優異的能量密度外，其自放電率也很低，這種優秀的自放電特性可延長電池壽命，使電池在投入使用之初幾乎為滿電量；此外，鋰離子電池也沒有記憶效應，這意味著不須定期進行徹底充放電便可保持容量。

不過，鋰離子電池還是有一些缺點，例如與其他化學電池相比，鋰離子電池的內部電阻較高，不能用於高放電電流應用，而且鋰離子電池也不能過度使用，過度充電可能導致電池快速分解，使電池性能永久性降低，這正是鋰離子電池組採用內部保護電路的原因。儘管鋰電池保護電路可防止電池在正常工作範圍之外工作，但應被視為最後一道防線，正常工作期間，電池充電器不應使用此電路。

圖1　鋰離子電池電壓範圍

圖1為鋰離子電池電壓充電範圍的詳細說明。以正確的方式為鋰離子電池充電涉及某些充電演算法和精度要求，為說明此演算法和精度，須從電量深度耗盡的電池開始介紹。

因應不同電量深度　充電器轉換CC/CV模式

當電量深度耗盡，電池兩端的電壓低於預充電電壓門檻值，該門檻值通常是電池滿充電壓的67%(約在2.8伏特(V))，而鋰離子電池的滿充電壓為4.2伏特。在該預充電階段，電池充電器應施加典型值最大為0.1C(快速充電電流的10%)的恆流源(CC)，直至電池兩端的電壓達到其預充電電壓門檻值。這一定程度地恢復電量深度耗盡的電池電荷，並使其準備好進入下一階段的快速充電操作；須注意的是，當電池仍處於預充電階段時，強制施加快速充電電流很可能使電池進入不可逆的短路狀態。

相反的，當電池兩端的電壓升至預充電電壓門檻值以上時，充電電流將從最初的低電流變為數值較高的恆流源，以執行快速充電。鋰離子電池的快速充電電流應小於1.0C，並須從電池製造商處獲得建議的快速充電電流值，以免降低電池性能或縮短其使用壽命，而進入快速充電階段將持續至達到電池滿充電壓為止。

一旦快速充電結束後，充電器就會開始進入恆壓(CV)階段。在此階段，電池充電器的輸出電壓保持在4.2伏特，充電電流將減小，電池充電器的電壓應保持穩定，其波動範圍應小於±1%。此時若電壓小幅降低會導致容量大幅減少，小幅升高則將縮短其使用壽命，故不建議持續對鋰離子電池進行涓流充電。

圖2　鋰離子電池充電曲線圖

此外，當充電電流低於0.07C時，應終止充電，以避免電池因過度充電而損壞，圖2顯示鋰電池的典型充電曲線。

因應不同電量深度　充電器轉換CC/CV模式

除了這些充電要求之外，高級鋰離子電池充電器還採用特別功能提高充電性能，並確保電池安全。圖3顯示高階鋰離子電池充電器的示範圖例，其採用微芯(Microchip)的MCP73113鋰離子電池充電管理控制器，具備安全計時器功能，可實現一種備用輔助安全控制；一旦電池電壓在一定的預充電時間內未達到電壓門檻值，或電池電壓未在指定時間內達到滿充電壓，充電週期將終止。

圖3 　鋰離子電池充電器電路圖

此功能非常重要，因為在電池電壓不升高的情況下連續充電可能導致電池發熱、爆炸或起火，除了安全計時器以外，該控制器還具有其他安全保護機制，包括過熱關斷保護、輸入過壓保護、反向放電保護和電池短路保護。

在某些應用中，鋰離子電池必須留在充電器中以保持隨時充電。在此類設置下，充電器應針對電池自放電和內部保護電路的功耗而導致的少量放電，持續對電池進行補償，透過涓流充電就可對這種少量放電進行補償，從而使電池保持滿電。

但是，鋰離子電池充電器的涓流充電模式在滿電時不可使用，因此須改用自動再充電功能代替涓流充電，如果電壓降至再充電門檻值以下，則會開始另一個充電週期，並再次向電池提供電流。

由於鋰離子電池充電器的系統複雜且精確，設計人員須了解鋰離子電池的充電特性和應用要求，才能開發出合適的電池充電器。此外，電池充電器應經過徹底的實際測試，以證明其性能和可靠性，這一點也同樣重要。

另一方面，鋰離子電池充電器測試中，最直覺的方法是使用實際電池，但使用實際電池測試充電器很耗時，也不太方便，主因係電池需一定的充電時間，測試時間可能需要一個多小時；而且充電時間還會根據充電器採用的具體充電模式發生變化，即快速充電、慢速充電或是兩者之間的某種模式。

無論如何，受限於電池最大充電速率的限制，將無法加速充電過程，如果須重複測試，則須使電池完全放電，否則要提供放電程度完全一致的電池。

減輕充電器測試成本　電池模擬電路取代電子負載

為簡化測試過程，最佳解決方案係採用模擬鋰離子電池充電特性的負載類型，如電子負載即常用於採用恆流源模式(CCM)的電源測試，恆壓模式(CVM)功能也可用於執行此任務。但是，具有此功能的電子負載通常很昂貴，並須透過GPIB或RS232介面進行程式設計，尤其是在CVM下連續步進控制電壓，以及從CVM切換為CCM時。

為測試充電器的直流回應和動態穩定性，這些模擬電池動態特性的連續轉換是非常重要的。否則，測試可能只會驗證充電器本身的電壓-電流(V-I)限制。考慮到以上缺點，模擬鋰離子電池的最佳選擇則是使用經濟高效，卻非常實用的專用鋰離子電池模擬電路。

圖4中的電路可模擬鋰離子電池，電路內建主要元件為高性能PIC18F87K90微控制器(MCU)，該MCU包含的周邊足以設計靈活、實用且易用的鋰離子電池模擬電路，故非常適合於此類應用，再配合用於檢測電流和電壓的電晶體Q1及電阻，該電路就可像電池一樣拉電壓和灌電流。

如前文所述，以恆定電流對鋰離子電池充電時，電池兩端的電壓會持續增大，直至達到4.2伏特。為模擬鋰離子電池行為，MCU會控制電晶體Q1灌入適量的電流並設置充電器輸出兩端的充電電壓，MCU內建的高速比較器則是用於控制Q1的中心元件，可將檢測電阻R1(R1也可用來模擬鋰離子電池的內部電阻)兩端的電壓與CVREF模組設置的給定參考電壓進行比較。

當R1兩端的電壓達到參考電壓時，比較器輸出會驅動Q1的基極，並根據需要翻轉，以達到所需的基極電流。為使充電電壓在從一個充電階段切換到另一個充電階段時持續增加，MCU內建類比數位轉換器(ADC)模組會監視充電電壓，並持續調整參考電壓，直至充電電壓達到4.2伏特。

在監視充電電流和充電電壓時，ADC模組會對R1和R3兩端的電壓進行採樣，這些採樣電壓也會由ADC模組以高精度進行轉換，讓充電電壓和電流顯示在液晶顯示(LCD)螢幕上。如此一來，使用者可監測充電電流是否正確從預充電階段轉換到快速充電階段，並可監測充電電壓在恆壓階段到充電終止期間是否在規定範圍內。

設計人員若須在固定電壓工作點測試充電器，則可使用MCU中內建的CTMU模組，再透過電容式觸控鍵盤手動調節所需充電電壓，以進一步觀測充電電流。

另外，某些測試須定時，以驗證電池充電器的特定功能，因此須採用如MCP73113充電管理控制器的安全計時器，利用該控制器內建的即時時脈/日曆模組計時，監測充電週期終止前經過的時間。

對於生產設置，可將MCU的串列通訊介面連接到電腦，使用測試程式驗證電池充電器。命令設置可包含在MCU的韌體命令庫中，從而為使用者提供簡單的測試程式開發方法，同樣的，模擬電路也是用於對故障元件進行故障排除，以診斷客戶退貨的強大工具，必須可手動設置電池模擬器電路，從而允許設計人員在除錯元件時輕鬆重現故障情況。

加速充電器測試　電池模擬電路用途廣泛

這種鋰離子電池模擬電路還可用於測試其他化學電池的充電器，然而，這樣的模擬電路還是有一些局限性，例如不能模擬電池的溫度特性。如果某種化學電池的電池充電器須檢測電池溫度才能確定是否充滿電(例如ΔT/dt充電方法)，則不能使用這種電池模擬電路進行測試。

舉例來說，如果某種鎳氫(NiMh)電池充電器採用ΔT/dt充電方法，就不能使用這種電池模擬電路；相反的，如果NiMh電池充電器採用涓流或ΔV/dt充電方法，則可將電池模擬電路配置為支援此種充電類型。