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安全使用鋰電池 利用保護電路防止過充/過放/短路
新通訊 20066 月號 64 期《 技術前瞻 》
文.林孟宏
鋰離子電池由於能量密度高、工作電壓高、無記憶效應、自放電率低,因此成為目前可攜式電子產品的理想電源,但是鋰離子電池的重大缺陷,則是成本高、內部電阻高、大電流取出不易。此外鋰離子電池也不耐過度充電,如果過度充電或短路,會造成電池溫度升高,甚至發生爆炸,因此必須為鋰電池加上保護線路以避免危險。
電子產品已是大多數人的必需品,從通訊、娛樂到日常生活用品、皆可看到電子產品的蹤跡,例如手機、MP3隨身聽、電動刮鬍刀、電動牙刷等。而這些可攜式電子產品的共通點,就是需要電源,常見的方式是利用乾電池或是可充式電池作為電源。如果使用一般乾電池,必須消耗大量電池,製造出的廢電池數量非常驚人。為了解決廢電池問題,使用可充式電池是非常好的方法,而充電電池的運用範圍非常廣泛,除了用以替代傳統乾電池,也常用於一些備用電源以及更換不易的電源上,例如不斷電系統(UPS)、緊急照明燈、汽車電池等。  

充電電池依材質的不同可分為四類:鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰離子電池,各有其優缺點。以鉛酸電池來說,其優點為價格低廉、容易製造、瞬間放電率高、可適用的溫度範圍廣及規格範圍廣。而缺點則是能量密度低(即在相同容量的電池中體積較其他種類大)、小於500mAh的規格不易製造,以及長時間儲存於放電狀態會導致不可逆的電極極化現象。  

鎳鎘電池的優點是價格低廉、適用溫度範圍廣、高峰值電流,缺點則是電池記憶效應明顯(當電力沒用完時就充電會導致電池最大可用電量下降)、自放電率高(當電池充完電,一段時間沒有使用時,電池儲存的電量會下降),約每月25%。  

鎳氫電池其優點則是與鎳鎘電池具有互換性、長循環使用壽命,缺點則是電池記憶效應明顯(約為鎳鎘電池的十分之一)、自放電率高,約每月20∼25%。而鋰離子電池的優點為能量密度高、工作電壓高、無記憶效應、自放電率低,缺點則是成本高、內部電阻高、大電流取出不易。  

由上述優缺點看來,鎳氫、鎳鎘及鋰離子電池較適合用在電子產品上。由於鋰離子的特性,一般來說,鋰電池無論是在體積、重量及容量(電子產品的使用時間)皆優於鎳氫與鎳鎘電池,且無記憶效應的問題,利用鋰離子電池的電子產品,在使用上似乎方便許多。  

早期手機剛開始大眾化時,當時手機的電池主要有二類,大部分是鎳氫、鎳鎘電池,少部分是鋰離子電池,時至今日,配備鎳氫、鎳鎘電池的手機已經非常少見,絕大部分都是使用鋰離子電池,主要就是因為使用者希望手機待機時間更長,且造型必須輕薄短小,因此鎳氫、鎳鎘電池已逐漸不符合使用者的期望。  

雖然鎳氫、鎳鎘電池在體積、重量、及容量方面皆不如鋰電池,但是其價格以及替代電池取得的便利性皆優於鋰離子電池,因此在其他電子產品上仍舊可看到鎳氫、鎳鎘電池的蹤跡,而訴求輕薄短小的電子產品則幾乎都配備鋰離子電池。那麼,鋰離子電池到底是什麼?接下來從鋰離子電池的特性、保護線路以及充電器逐一介紹。  

鋰離子電池重量輕但不耐過充  

化學電池主要由陰、陽兩極與電解質組成。在電極方面,是位於電解質與集電體(Current Collector)兩個導電介質之間。陽極的反應是氧化反應,由於物質L氧化而放出電子,而在陰極的反應則是還原反應,電子透過外部的電路傳導到陰極,而使物質L+還原成L,而中間電解液的目的,則是負責維持兩極的電中性或負責傳遞離子。一般的電池反應基本原理都是如此,對於鋰二次電池的放電反應而言亦然。  

鋰離子電池的充電及放電反應式可表示如下:  

(請見新通訊64期6月號)  

鋰離子電池的重量雖比鎳氫電池輕30∼40%,容量高出鎳氫電池60%以上,但是其缺點則是不耐過度充電,如果過度充電或短路,會造成電池溫度升高,而破壞電池結構,最後可能使得電池爆炸。在幾年前的新聞中,手機放在手提袋中,結果起火,極可能是鋰離子電池短路造成的結果,因此對鋰離子電池進行保護動作是非常重要的。而除了傳統的液態鋰離子電池(Li-ion)之外,還有一種鋰聚合物電池(Li-polymer),其特性則較鋰離子電池穩定。  

鎳鎘電池的記憶效應最顯著  

電池的記憶效應在使用鎳鎘電池時最為顯著,當電池每次充電時,負極會產生氫氧化鎘與電極作用,而使得金屬鎘沈積在負電極的表面,當電池放電時,負電極表面的金屬鎘反應形成氫氧化鎘,而當充放電不完全時,電極內的鎘金屬會慢慢產生結晶體,使得往後電池充放電的化學反應受到阻礙,導致電池表現出來的實質容量減少,因此電池的電氣反應就好像是電池會慢慢的記憶所使用的容量,因而稱為電池的記憶效應。   

鎳鎘電池具有強烈的記憶效應,所以很容易因充放電不良,造成可用的電池容量降低。所以大約使用十次之後,就必須做一次完全充放電,但若已經有記憶效應時,則須連續做三至五次的完全充放電。而鎳氫電池的記憶效應較弱,約使用五十次時,做一次完全的充放電即可,鋰離子電池則沒有記憶效應的問題,做電池放電的動作反而損壞電池結構,損耗電池的使用壽命。  

鋰離子電池使用限制較多  

一般來說,鋰離子電池在使用上的限制較鎳氫、鎳鎘電池多,在典型的鋰電池會有電性安全的範圍限制。充電時,當電壓上升到4.30±0.05V時,應立即停止充電,以避免電池過充而產生危險;而當電池供電(放電)時,電池電壓如果降至2.3±0.1V以下,要立即停止放電,以免電池過度放電而損毀電池的使用壽命。除此之外,還必須要加上短路保護,以確保能夠安全使用鋰電池。由於鋰電池有這些安全顧慮,所以鋰電池通常會加上一些保護線路以避免發生危險。接下來介紹鋰電池的架構,以及保護線路。  

鋰離子電池的保護晶片及其電路  

圖1即是一個鋰離子電池的基本架構,以下將逐一說明各部份的用途。  

由圖1可發現鋰離子電池主要可分為三個部分,分別是鋰離子電池、電池保護線路、溫度偵測器。鋰離子電池在前文已經介紹過,接著將說明保護線路的部分。  

鋰離子電池保護線路主要是為了避免鋰離子電池因操作不當而造成電池損毀,進而發生危險。一般典型的鋰電池保護線路,主要是由一個鋰電池保護晶片再加上兩個MOS開關所組成,典型的鋰電池保護晶片須具備以下功能:  

1.防止過度充電保護功能:  

充電時,當電池電壓上升到4.3V時,保護線路必須使充電器無法繼續對電池充電,以避免電池過充而造成危險。這個保護狀態必須一直持續到電池電壓下降至4V以下,才能解除。鋰電池回復正常狀態,才可繼續充電。  

2.防止過度放電保護功能:  

鋰電池供電(放電)時,當電池電壓下降至2.4V以下時,保護線路必須使電池無法繼續對負載供電,以確保鋰離子電池不會過度放電而損壞電池結構,直到對鋰離子電池充電,並使鋰離子電池的電壓高於3V,此保護狀態才會解除。  

3.防止過流保護功能:  

鋰離子保護線路也必須在電池被外部的應用線路產生短路時,作一個保護動作,以避免電池因短路產生危險。而當電池短路狀態被移除時,則電池必須恢復正常動作。  

接著以AIC1821及其線路為例,說明鋰離子電池保護線路是如何工作的,圖2即是一個鋰離子電池保護線路,由圖中可看出,其主要組成元件是一個鋰電池保謢晶片,以及兩個功率晶體開關和保險絲。保險絲的作用是當電路因某些原因而沒動作時,能確實避免電池短路而發生危險,換言之就是多一道保護。那麼,保護電路究竟是如何動作的?依各種可能發生的情況來說明鋰離子電池保護線路的工作,如果充電器持續對鋰離子池充電,當保護晶片偵測到電池電壓超過4.2V時,保護晶片會將原本OC接腳的輸出High的訊號變為Low,進而使得M2截止,讓外部的充電線路無法再繼續對電池充電。雖然由於M2的截止使得電池無法被充電,但是電池仍然能經由M2的寄生二極體形成一個放電迴路,因而能夠提供負載電源,其電流路徑如圖3∼圖5所示,直到鋰離子電池的電壓降至4V以下時,保護晶片恢復成正常狀態,OC接腳的輸出由Low的訊號再變為High,M2再次導通。  

而當持續的對電池放電(由電池供電給負載),如果保護晶片偵測到電池電壓低於2.4時,保護晶片會將原本OD接腳的輸出High的訊號變為Low,進而使得M1截止,讓電池無法再作放電的動作,同樣的電池仍然能經由M1的寄生二極體形成一個充電迴路,對電池作充電的動作。  

其電流路徑如圖6所示,直到鋰離子電池的電壓降至3V以上時,保護晶片恢復成正成的狀態,OD接腳的輸出由Low的訊號再變為High,M1再次導通。  

而當鋰離子電池經由外部線路被短路時,保護晶片會利用CS接腳去量測電池的供電電流經過M1和M2所造成的壓降,來判斷電池是否被短路,當保護晶片判斷電池被短路時,則保護晶片同樣會將原本OD接腳的輸出High的訊號變為Low,使保護晶片無法繼續供電,避開短路造成的危險,直到電池的短路情況被解除時,保護晶片再次恢復正常。參照圖7、圖8的AIC1821動作時序圖,將能更輕易了解鋰離子電池保護線路在各種模式下的動作。  

鋰電池充電器設計較為簡單  

由於鋰電池的電氣特性較鎳氫、鎳鎘電池固定,所以在充電器的設計上相對簡單許多。一般來說,鋰電池充電器主要仍可分為線性式(Linear)和切換式(Switch)二種,主要差別是一個是利用線性穩壓器當充電電源,另一個是利用開關電路當充電電源。  

現在就來看看鋰電池充電器是如何動作的,一般而言,鋰離子充電器對電池充電時會有兩種模式切換,一開始先利用定電流的方式充電,也就是利用一個固定的電流來對電池充電,而當電池接近充飽時,則改由定電壓充電,以確保電池能夠完全充飽電,且不會過充。  

接著利用AIC1790來設計所需的充電器,並說明其工作模式。AIC1790在一個正常的充電週期可分為三個模式,分別為預充(Pre-charge)、定電流(Constant Current)、定電壓(Constant Voltage)。如圖7所示,當電池剛開始充電時,會先以一個預充電流來對電池充電,等到電池電壓上升至最小的正常充電電壓時,即轉為定電流充電,但如果在37分鐘內,電池電壓仍無法達到電池最小的正常充電電壓時,即判斷為失敗(Fail),停止繼續對電池充電。在定電流模式則是在370分鐘內,如果電池電壓仍無法達到轉為定電壓模式的的轉態點,即判斷為失敗,停止繼續對電池充電,而當電池在接近充飽狀態時,充電器則會轉成定電壓模式,將電池充飽。充電特性如圖9所示。  

圖10即是一個完整的鋰離子充電線路,可發現其實充電器大部分的功能已經都被包含,對於鋰離子電池充電器的設計而言,只要簡單設定幾個參數,即可利用此一電路完成一個鋰離子電池充電器。在設計充電器之前,必須先了解鋰電池的規格,一般電池廠都會提供電池的充電參數,本文在此就利用這些參數來設計充電器。  

首先必須知道電源所能提供的電流、電池所能承受的最大充電電流,以及充電時的溫度範圍,並利用這些參數來調整充電器。在此以一個常見的電子產品-無線滑鼠來作為設計充電器的範例。常見的無線滑鼠可分為兩部份,一是滑鼠,另一是鼠窩,而通常會將充電器置於鼠窩內,並假設電池在充電時,其溫度為-10∼40℃,而且一般USB埠最大供電電流約為500mA,故在此將充電器的充電電流定為300∼350mA。有了充電電流及電池容許充電溫度範圍,就可以來設計無線滑鼠充電器,在充電電流部份可經由連接ISET接腳的RSET來調整所需的電流:  

(請見新通訊64期6月號)  

選用RSET為7.2kΩ的電阻,在鋰離子電池的基本架構圖,有一個溫度偵測器,其主要功用在於告知充電器現在的溫度是否超過安全範圍,通常是利用一熱敏電阻在配合充電器線外部的線路來達成此一目的。假設選用103AT-2型號的熱敏電阻來當作溫度感偵器(溫度為-10∼40℃,其阻值為42.47k∼5.827kΩ),並配合Rx及Ry將溫度訊號轉變成電壓訊號,而在電阻阻值方面,由於AIC1790的正常充電時,溫度偵測TS PIN可接受的電壓範圍為30∼60%的Vcc,可得出下列式子:  

(請見新通訊64期6月號)故將Rx及Ry分別設為11kΩ及27kΩ,如此即可完成所需的充電器。鋰離子電池由於其電氣特性較鎳氫、鎳鎘電池穩定,所以在充電器設計上相對也容易許多,在參數設定上亦較鎳氫、鎳鎘充電器簡單許多,只要能了解電池的規格,再依需求選擇鋰電池充電晶片,相信要設計一個合乎需求的鋰電池充電器並不困難。  

(本文作者任職於沛亨半導體)  

(詳細圖表請見新通訊64期6月號)  

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