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2022/11/15

電池充電IC的基本原理

作者: Chris Sporck, MPS Battery Management Product Line Director

電池充電基礎知識
鋰離子充電IC是調節電池充電電流與電壓的設備,常用於便攜式設備,如手機、筆記型電腦和平板電腦等。與其他化學成分的電池相比,鋰離子電池是能量密度最高的電池之一,其單節電池提供的電壓更高,承受的電流也更大,而且在電池滿電時無需涓流充電。不過,鋰離子電池沒有記憶效應,這意味著它不會“記住”在電量完全耗盡之前剩餘的電量。鋰離子電池必須採用特殊的恆流恆壓 (CC-CV) 充電曲線進行充電,充電曲線可根據電池溫度和電壓水平自動調整。
 
充電曲線
充電曲線是鋰離子電池的一項基本特性,它描述了電池充電時,電池的電壓和電流如何變化。為簡化起見,充電曲線可以透過一個坐標圖來表達,其X 軸表示時間,Y 軸表示電池電壓或電池電量。透過該曲線可以洞見電池的安全特性,並了解如何優化電池充電。 MP2759A是MPS提供的一款高度整合開關充電IC,專為 1 至 6 節串聯鋰離子或鋰聚合物電池應用而設計。圖 1 所示為 MP2759A 的充電曲線。

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Figure 1: MP2759A 的充電曲線

鋰離子電池遵循相對常見的充電曲線,下面將進行詳細的描述。需要注意,如果充電 IC 提供可配置功能,設計人員將能夠為這些充電階段設置自己的閾值。由於大多數電池製造商只為不同的最大充電電流水平設定同一閾值,因此閾值可配置功能非常有用。可配置的閾值能夠提供一層額外的安全保護,保護電池免受過壓、過熱條件以及過載的影響,從而避免電池的永久損壞或容量降級。
  1. 涓流充電:涓流充電階段通常只在電池電壓低於一個極低水平(約2.1V)時採用。在這種狀態下,電池組的內部保護 IC 可能由於深度放電或發生過流事件已經斷開了電池。充電 IC 提供一個小電流(通常為 50mA)為電池組的電容充電,以觸發保護 IC ,合上其 FET重新連接電池。雖然涓流充電通常只持續幾秒鐘,但充電 IC 仍然需要整合一個定時器。如果電池組在一定時間內未重新連接,則定時器停止充電,因為這表明電池已損壞。
  2. 預充電:一旦電池組重新連接或處於放電狀態,就進入預充電階段。預充電期間,充電IC開始以一個較低的電流水平為耗盡的電池安全充電,該電流通常為 C / 10(C 為容量,以 mAh 為單位)。預充電使電池電壓緩慢上升。其目的是在低電流水平下對電池進行安全的充電,以防止損壞電池,直到其電壓達到一個較高的水平。
  3. 恆流(CC)充電: 恆流(CC)充電也被稱作快速充電階段,下文將對其進行詳細介紹。恆流充電在預充電之後開始,一旦電池電壓達到每節3V 左右即開始恆流充電。在恆流充電階段,電池可以安全地處理 0.5C 至3C 之間的較高充電電流。恆流充電會持續到電池電壓達到“滿電”或浮動電壓水平,然後進入恆壓充電階段。
  4. 恆壓(CV)充電: 鋰電池的恆壓(CV)閾值通常為每節4.1V至4.5V。充電 IC 會在恆流充電期間監測電池電壓。一旦電池達到恆壓充電閾值,充電IC就會從恆流轉換至恆壓調節階段。當充電 IC 監測到外部電池組電壓超過了電池組中的實際電池電壓,就開始執行恆壓充電。這是由於存在內部電池電阻、PCB 電阻和來自保護 FET 和單電池的等效串聯電阻 (ESR)。充電 IC 不應允許電池電壓超過其最大浮動電壓,以保證安全的運行。
  5. 充電截止: 當恆壓充電階段,當流入電池的電流降至設定閾值(約為 C / 10)以下時,充電 IC即終止充電週期。此時,電池被認為已充滿電,充電完成。如果充電 IC 的充電截止功能被禁用,充電電流會自然衰減至 0mA,但實際中很少這樣做。因為在恆壓充電期間,進入電池的電荷量呈指數級下降(因為電池電壓的增大就如同一個大電容器),在容量增加極少的情況下,為電池充電需要非常長的時間。
任一時刻的實際充電電流都可能低於設置值,其原因包括各種環路調節,例如輸入電流限制、輸入電壓限制、散熱調節或電池溫度。有關電池安全的更多信息,請參閱下文中的安全部分。

快速充電
談到快速充電,最關鍵是根據電池製造商的規格確定電池可以處理的電流。舉例來說,電池的“充放電率 (C-Rating)”指定了電池充放電的最大電流。標準充放電率通常在 0.5C 到3C 之間,具體取決於所用的具體電池,通常需要在較高的充放電率和較低能量密度之間進行權衡。例如,一塊 3000mAh 的電池,充放電率為 1C,意味著電池能夠以最大 3A 的電流充電。通常,電池製造商還會為充放電率指定不同的電壓和溫度範圍,在電壓較低或溫度較高/較低的條件下,充放電率會降低。

如果一塊電池具有較高的充放電率,那它就可以處理更多的電流,也就可以更快地充電。例如,相比無線揚聲器,較高的充放電率的電池對智慧手機和筆記型電腦等便攜式設備來說更加有用,因為這些便攜式設備可能需要每天至少充電一次。通常對運行時間較短且需要持續使用的設備來說,快充肯定是首選。了解電池的充放電率可以幫助設計人員確定如何優化其解決方案,使他們能夠選擇最適合其電池的充電IC拓撲結構和安全功能。

恆流 (CC) 充電階段(也稱為快充階段)通常取決於電池的電壓閾值。 MP2731更是獨樹一幟,將其快充階段定義為電池電壓超過預充電閾值且小於其恆壓充電閾值的時間間隔。在第一個快充階段,電池 FET 以快充電流為電池充電。一旦電池電壓超過新閾值,則認為電池 FET 完全導通。


如何選擇恰當的充電IC
在選擇合適的電池充電IC系統時,最重要的考量參數包括:電池組中串聯的電池數量、輸入電壓 (VIN) 範圍、充電電流和系統電源路徑管理。這些參數決定了充電電路(開關或線性)所需的電源轉換類型,以及為系統電壓軌供電所需的附加功能,例如窄電壓直流 (NVDC) 電源路徑管理。這些因素直接決定充電IC拓撲的選擇。簡而言之,充電IC拓撲由以下基本參數確定:
  1. 對5V輸入、充電電流小於或等於500mA的單節電池組而言,線性充電IC較適合。單節電池組的最大電壓通常在 4.2V 到 4.5V 之間。需要注意,根據系統設計和散熱性能的不同,線性充電IC的最大電流可能高於或低於預期值。
  2. 如果充電電流超過500mA,建議使用開關充電IC。這種充電IC也常用於電壓大於或等於 5V 的 USB 應用。根據 VIN 和最大電池電壓(VBATT),通常有三種開關充電IC拓撲可選。如果 VIN 低於最大 VBATT,選擇升壓充電IC;如果 VIN 大於或等於 VBATT,選擇降壓充電IC;如果 VIN大於、小於或等於 VBATT,則選擇升降壓充電IC。下文將對這些拓撲給出更詳細地描述。

電池組的電池配置
就電池配置而言,根據電池組內物理串聯放置的電池數量,以及充電IC的輸出電壓 (VOUT)範圍,電池充電IC分為單節或多節電池充電IC兩種類型。

單電池具有較低的功率輸出和較小尺寸,通常最大放電電流在 1C 到 3C 之間(例如 1Ah = 1A ~3A)。這意味著單電池充電IC通常適用於較小的移動設備,例如手機、手錶和耳機。而多個堆疊的電池則可以提供較大功率,通常用於需要更多功率的大型系統,例如筆記型電腦、揚聲器、行動電源和無人機。不過,電池組內並聯的電池數量通常不會影響充電 IC 的選擇,因為並聯不影響電壓。


輸入電壓(VIN)範圍
消費電子產品大多透過 USB 端口供電,該端口至少也要支持 5V電壓。隨著 USB 標準逐步演變為支持 USB 供電 (PD)的新型 USB Type-C 連接器,最大允許電壓也增至20V。根據 USB PD 規範的擴展功率範圍 (EPR) ,該電壓還將進一步上升至 48V。從充電系統設計的角度來看,充電 IC支持的VIN範圍和功率必須在充電的同時為下游電源軌供電。如果系統所需的總功率低於 15W,則可以使用 5V 標準 USB Type-C;如果總功率超過 15W,使用USB 連接器時還必須採用具有更高 VIN和 USB PD 的解決方案。

對 USB 應用來說,充電 IC 必須向後兼容 5V電壓。採用多於1 個電池串聯的電池組會增加充電IC的成本和復雜性,因為其拓撲必須支持寬輸入電壓範圍(例如昇降壓拓撲)。如果採用非 USB 連接器(即筒形插孔連接器),系統設計人員通常可以自由選擇VIN,而無需考慮對其他電壓電平的支持。對設計而言,這樣更簡單、性價比更高,但對最終用戶來說,可能帶來不便,因為他將不得不需要一個只能兼容一個產品的特殊壁式充電。


充電電流
設計人員還需要考量充電電流及其對充電IC拓撲選擇的影響。如果充電電流小於或等於 500mA,使用線性充電可以降低成本和尺寸。但對更高電流,則建議使用開關充電,因為可以降低功耗並提高效率;不過,與線性充電相比,開關充電需要一個電感,因而會佔用額外的電路板空間。

舉例來說,透過1A、5V USB 輸入充電,不建議使用線性充電。如果使用線性充電,在快充階段開始,電池電壓為 3V 時,充電IC有2V的壓降,會導致2W 的功耗產生。線性充電僅適用於充電電流較低的小型電池,而開關充電則適合處理更高的充電電流。


系統電源路徑管理 (PPM)
電源路徑管理 (PPM) 功能可以根據輸入源電流能力和系統負載的電流要求對電池充電電流進行調整。它幫助系統微控制器 (MCU) 或片上系統 (SoC)獲得足夠的電力,同時還能夠利用多餘電流為電池充電。常見的電源路徑管理選項如下文所述。

沒有電源路徑管理的簡單充電IC (電池直接供電)
沒有電源路徑管理的簡單充電IC,其電池直接連接至系統,充電IC只有一個輸出,即電池。在這種情況下,必須先將電池充電至最低系統電壓,然後產品才能開機。如果電池已經深度放電,則可能還需要額外的充電時間,對於在充電時可以使用的產品應用中,用戶體驗將欠佳。對於沒有電源路徑管理的簡單充電而言,其優勢在於簡單和較低的BOM 成本。

MP26029即為一款具有溫度調節功能的單節鋰離子/鋰聚合物電池充電 IC(參見圖 2)。其片上充電 MOSFET 作為全功能線性充電IC工作,具有預充電、恆流 (CC) 充電、恆壓 (CV) 充電、充電截止和自動再充功能。內部偏置電路由 IN 或 BATT 接腳中較高的電壓供電。 MP26029 還提供一個 ISET 接腳來啟用或禁用充電,同時提供一個狀態指示接腳,以報告器件正在充電、充電完成或充電暫停等狀態。


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Figure 2: MP26029 具有5V 輸入的 MP26029 典型應用電路

OR選項電源路徑管理 (旁路模式)
對於OR選項電源路徑管理(也稱為旁路模式或直通法),由外部開關管理電池充電和系統路徑。這種方法優化了儲能容量,並能在電池故障時提供保護功能。 OR選項電源路徑管理遵循兩個基本原則: 
  • VIN存在時,VIN直接連接至系統
  • 沒有VIN時,VBATT直接連接至系統
採用OR選項,電源路徑管理系統必須能夠承受 VIN。同時,系統電壓(VSYS) 不會被調節。另外,在這種拓撲中,由於兩個電源軌是分開的,電池不能透過額外的電流來補充系統電源。但採用窄電壓直流(NVDC) 電源路徑架構可以緩解此問題,具體詳述如下。 MP2759是一款具有 OR選項的電源路徑管理的鋰離子/鋰聚合物電池充電IC,適用於1 至 6 節的串聯電池,並支持具有不同電池調節電壓的多種電池化學類型。 MP2759 採用 QFN-19 (3mmx3mm) 封裝,能夠根據電池的電壓和電流在四個充電階段之間切換,包括涓流充電、預充電、恆流充電和恆壓充電。在電池耗盡時,該器件可以透過“或”選擇電源路徑為系統供電,同時提供保護功能,如使用 JEITA 配置文件提供電池溫度監測,以及電池過壓保護 (OVP)。 MP2759的外部 P 溝道電池 MOSFET 支持OR選項電源路徑管理。其電池 FET 的柵極由 IN 接腳訊號驅動。沒有輸入源時,電池 FET 將電池連接到系統;接入輸入源時,電池 FET 關端,輸入源透過不同的 MOSFET (Q1) 為系統供電。此外,輸入電流限制功能可以透過降低充電電流來防止輸入源過載(參見圖 3)。

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Figure 3: OR 選項電源路徑管理

窄電壓直流 (NVDC) 電源路徑管理
窄電壓直流 (NVDC) 電源路徑管理是一種常見的方法,它具備的多種優勢如下所述: 
  • 即使電池電壓很低,系統也可以即時開機
  • 系統電壓追踪電池電壓,從而可降低充電產生的熱量;而且由於無需承受外部 VIN,因而支持較低電壓的系統設計
  • 輸入電量不足時,電池可補充系統
  • 系統可以與電池完全斷開,以適應運輸模式、過流保護 (OCP) 或欠壓保護 (UVP) 等情況
具備NVDC,充電IC可以提供兩個獨立的輸出(分別來自系統與電池),從而允許充電IC將系統電壓調節至高於電池電壓。 NVDC 還提供運輸模式選項。在運輸模式下,當沒有 VIN時,可以禁用位於電池和系統節點之間的內部電池 FET,從而將電池與系統輸出完全斷開。該功能有效消除了產品未售出時產生的系統電流消耗,從而延長了電池使用時間。

MP2733是一款高度整合的開關模式電池充電IC,適用於單節鋰離子和鋰聚合物電池應用。該器件提供 NVDC 電源路徑管理,非常適合平板電腦、無線攝像頭、智慧手機和便攜式設備。 NVDC功能可以分別控制系統和電池,並在啟動時給予系統優先權,當電池缺失或深度放電時,系統也能啟動。如果輸入電源在電池耗盡的情況下也可用,則係統電壓將被調節至其可調最小值(VSYS_REG_MIN)。 NVDC 架構由前端降壓 DC/DC 變換器和置於 SYS 和 BATT 接腳之間的電池 FET 提供支持。圖 4 顯示了MP2733的 NVDC 結構。


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Figure 4: NVDC 電源路徑管理架構

NVDC 架構透過以下方式調節電壓:
  1. 如果 VBATT 降至 VSYS_MIN 以下,系統電壓將調節至 VSYS_REG_MIN。同時,電池 FET 工作於線性模式,根據 VBATT為電池充電。另外,VSYS_MIN 可透過 I2C 接口設置。
  2. 如果 VBATT 超過 VSYS_MIN + VBATT_GRD(約 60mV),則電池 FET 完全導通。電池之間的壓差即為電池 FET 的 VDS,充電電流環路由變換器的 PWM 控制實現。
  3. 如果充電暫停或完成,系統電壓將被調節至最大值(見圖 5)。
除了上述特性以外,MP2733 的 NVDC 架構還支持運輸模式。

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Figure 5: VSYS 隨 VBATT 的變化曲線

充電IC拓撲結構
充電IC拓撲主要有兩種類型:線性充電IC和開關充電IC,後者可進一步分為升壓、降壓和升降壓充電IC(參見圖 6)。下面將詳細介紹這些拓撲結構。

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Figure 6: 充電IC拓撲結構

線性充電IC
線性充電IC通常體積小、簡單而且性價比高。這類充電IC由於沒有開關所以噪聲較低;但受封裝尺寸的限制,較高的充電電流會產生較高功耗。因此,線性充電因其小體積而非常適合便攜式物聯網 (IoT) 設備,如健身器材配件、智慧手錶和藍牙耳機等。

MP2662為一款高度整合的線性鋰離子/鋰聚合物電池充電IC,它具有適用於便攜式應用的電源路徑管理功能。該器件採用超小尺寸的 WLCSP-9 (1.75mmx1.75mm) 封裝,它透過 AC 適配器或 USB 端口實現靈活供電,而且器件可以自主確定由輸入、電池、 或兩者同時供電。 MP2662的電源路徑管理將充電電流與系統負載分開,以提供充電截止功能並確保電池保持在滿電模式。其整合 I2C 接口可以提供器件配置以實現各種安全功能,包括電池欠壓鎖定 (UVLO)保護、輸入限流、最小輸入電壓調節、充電電流、電池調節電壓和安全定時器。

 
開關充電IC
在中、大電流下,開關充電IC比線性充電IC更高效,並且在寬輸入電壓 (VIN) 範圍內具有更高的適應性。不過,開關充電IC還需要一個電感器和更多的電容器,這會增加成本、複雜性並佔用更多的 PCB 空間。對具有較大電池的應用,或需要更高效率以實現快充功能的應用,建議選擇開關充電IC。這類充電IC是高密度系統的理想之選,例如智慧手機、平板電腦、筆記型電腦、行動電源和揚聲器。開關充電IC主要有三種不同類型:降壓(buck/step-down)、升壓(boost/step-up)和升降壓(buck-boost),升降壓充電IC可以將輸出調節至高於或低於輸入電壓。在選擇開關充電IC時,需要考慮以下兩個問題:
  1. VIN範圍是多少? (例如,它是用於 5V USB 應用還是 USB PD 應用)
  2. 電池組電壓範圍是多少? (這取決於電池組中串聯的電池數量)
一旦確定了這些問題,就可以輕鬆確定開關充電IC拓撲。
通常,開關充電IC用於充電電流高於 500mA 的應用。開關充電IC的具體類型(降壓、升壓和升降壓)詳述如下。


降壓充電IC
降壓充電IC適用於最小輸入電壓始終超過最大電池電壓 (VBATT)的應用,例如單電池 5V USB。即使所需的最大充電功率超過 5V USB Type-C 提供的 15W(例如大多數智慧手機),也仍然可以使用降壓充電IC,只要它能夠處理 USB PD 支持的更高 VIN 工作電壓和功率。

MP2721是一款降壓充電IC,它提供低阻抗電源路徑,可以提升充電效率、縮短電池充電時間並延長電池壽命。該器件支持 USB 電池充電規範 1.2 (BC1.2) 標準和非標準適配器檢測。 MP2721還提供I2C 接口以實現參數配置,例如輸出電壓(VOUT)、開關頻率(fSW)、充電電流、輸入電流限制、安全定時器和芯片溫度調節等。

 
升壓充電IC
升壓充電IC適用於 VIN 低於最大 VBATT 的應用,如帶2 節電池的 5V USB。這種類型的充電IC僅適用於功率要求小於或等於15W 的應用,如需更高功率,則需要採用升降壓充電IC。將升壓充電IC用於功率需求較低的多節電池應用,可以避免採用 USB PD 控制器等額外組件,從而節省成本。

MP2672A是一款靈活的開關模式升壓充電 IC,適用於兩節串聯的鋰離子電池,非常適合便攜式應用,例如銷售點 (PoS) 系統、雲台和藍牙揚聲器。這類充電IC具有電池平衡功能,它可以監測每個電池的電壓,並在超過失配閾值時均衡電壓。此外,MP2672A具備兩種配置模式:獨立模式和主機控制模式。主機控制模式可以透過I2C接口配置充電參數,而獨立模式則透過連接在CV 和 ISET 接腳上的電阻來調整特定參數。 MP2672A提供的保護功能包括電池過壓保護 (OVP)、安全定時器、看門狗定時器、電池缺失檢測和溫度調節。

 
升降壓充電IC
採用升降壓拓撲的充電IC允許 VBATT高於、低於或等於器件的 VIN,這意味著電池可以透過任何電源電壓持續充電,直至達到其目標電壓。這樣,快充在更加廣泛的條件下成為可能,儘管它確實需要更大的充電 IC 封裝尺寸。通常,如果接入輸入電源,升降壓充電IC可以工作於三種工作模式:升壓模式、降壓模式和升降壓模式。升壓模式下的VIN 低於VBATT,降壓模式下的VIN 高於 VBATT,而升降壓模式下的VIN 與 VBATT幾乎相等。升降壓充電IC能夠在整個 PD 電壓範圍內提供高功率,同時還向後兼容 5V 傳統 USB。這類充電IC最常用於多節電池串聯的 USB PD 應用,例如筆記型電腦、智慧手機和行動電源。

MP2760是一款經過優化的升降壓充電IC,採用 TQFN-30 (4mmx5mm) 封裝。它具有窄電壓直流 (NVDC) 電源路徑管理和USB On-The-Go (OTG) 或 USB PD 電源模式。在USB PD 電源模式下,USB 設備(例如行動電源)可充當電源,為其他 USB 設備(例如智慧手機)充電。

MP2760專為 1 至 4 節串聯電池組應用而設計。它具有四個開關 FET,並整合了兩個用於輸入電壓直通和 NVDC 控制的 N 溝道 MOSFET 驅動器。其安全功能包括電池過溫保護 (OTP)、系統和電池過壓保護(OVP)及欠壓保護 (UVP)、電池缺失檢測和短路保護 (SCP)。

 
USB ON-THE-GO (OTG) 或稱放電(Source)模式

USB On-The-Go (OTG)也稱為 USB Type-C 放電模式,它並不是 USB 的新功能,但在引入 USB Type-C 連接器之前並不常見。 USB OTG 允許來自便攜式電池供電設備的雙向供電,這使設備(例如行動電源)能夠為其他連接的其他設備或配件充電。之前,舊的micro-USB 規範需要採用特殊的電纜才能實現OTG功能,這增加了成本並降低了產品的互操作性(例如,支持 OTG 的電纜可能不能為其他設備充電)。 USB Type-C 標準發布之後,USB OTG 成為一種廣受歡迎的功能,因為無需增加更多成本,使用相同的電纜和連接器即可實現。現在,許多采用電感拓撲的開關充電 IC 都支持 USB OTG 操作。該功能在許多常用產品中隨處可見,例如筆記型電腦、智慧手機和行動電源。

要支持 USB OTG,產品需要具備以下條件:
  1. 充電 IC 必須支持雙向操作,並至少提供5V電壓 。
  2. 充電 IC 必須具有限流功能,以保護連接的電流接收設備不會吸收過多的電流。
  3. 產品必須具備一個 USB CC 控制器,可以將其角色從電力消耗者改為電源提供者,它能夠檢測連接的接收設備,並在 CC 接腳上公佈能夠提供的額定電流。

MP2722是一款高效降壓充電IC,它整合了 USB Type-C 放電模式和雙角色電源 (DRP) 模式所需的功能。該器件的整合 CC 控制器提供僅接收(sink-only)模式、僅放電(source-only)模式和雙角色電源 (DRP)模式。這些模式可以透過I2C接口手動設置,也可以自動選擇。 MP2722完全兼容包含DRP 功能的 USB Type-C 1.3標準,並提供 Try.SNK 和 Try.SRC 模式支持。

在sink-only模式下,器件可以透過輸入電源接收電力。此時器件僅用作充電,並在IN 接腳接入輸入電源時為電池充電。
在source-only模式下,器件可以透過電池為 IN 接腳供電。這種模式對於想要為外部設備供電的應用十分有用。
在 DRP 模式下,DRP 端口可以充當接收器或者電源,而且可以根據已連接的端口類型自動進行模式切換。無論 DRP 端口工作於何種模式,主機都可以強制器件打開和關閉。


安全性
除了確定理想的電池充電IC拓撲以外,設計人員還必須考慮器件的安全特性,以及這些特性與整體解決方案的關係。常見的安全功能可監測並提供以下保護: 
  • 輸入、電池和系統欠壓和過壓保護
  • 輸入、電池和系統過流保護
  • 電池充電電流和電壓曲線
  • IC 溫度和電池溫度(包括遵循 JEITA 標準)
  • 充電/放電時間限制(透過充電安全定時器實現)
  • MCU 和充電IC軟件(透過看門狗定時器實現)
要實現電池充電 IC 的安全功能,通常需要規定工作範圍(例如電流和/或電壓),同時設置充電或器件操作的上下閾值。

例如,如果預期工作輸入電壓 VIN為 5V,則充電 IC 可以設置 3V的輸入欠壓保護 (UVP) 閾值和 6V的輸入過壓保護 (OVP) 閾值。當VIN超出這些閾值,IC 會禁用輸入電源。充電 IC 還可以提供約 4.5V的可配置VIN調節環路,以防止從輸入電源中汲取過多的功率。在這種情況下,充電 IC 只需從輸入中汲取所需的功率;當VIN降至其閾值以下時,汲取的功率也降低。當調節環路與欠壓鎖定 (UVLO) 和過壓鎖定 (OVLO) 保護相結合時,充電 IC 能夠在器件接入電源並可用時,以安全的方式最大化輸入功率。

MP2651即為一款具有強大保護功能的電池充電 IC。這款升降壓充電IC提供了多種保護功能,包括逐週期 MOSFET 電流限制、系統和電池過壓保護 (OVP) 和欠壓保護(UVP)、系統短路保護 (SCP)、溫度調節、電池缺失保護和電池溫度監測,另外它還能監測電池電流,以確保電池電量不會深度耗盡。

MP2651還提供一個安全定時器,用於防止過長的充電週期。對於恆流 (CC) 和恆壓 (CV) 充電,定時器在電池進入恆流充電階段時啟動,在各種條件下都可以復位,例如在輸入電源切換時或設備從過溫關斷中恢復時。如果電池進入補充模式或出現 NTC 熱故障或冷故障,定時器可以暫停。另外,定時器還可以延長至原有時長的兩倍。

 
看門狗(WATCHDOG)定時器
可配置充電 IC 中,監控器(俗稱看門狗)定時器的主要目的是在系統微控制器 (MCU) 死機或停止響應的情況下,安全地處理實例。如果 MCU 開始工作不正常或完全停止運行,寫入充電 IC的值就可能不正確,這會影響充電期間的電池安全性。

一旦啟用,看門狗定時器就將運行一段可配置的時長。當充電 IC 讀到來自 MCU 的 I2C 事務,就像看門狗被主人撫摸了一下,看門狗定時器被復位。在正常操作期間,定時器會持續被“撫摸(pet)”,直至定時到期結束。如果允許在沒有讀到I2C事務時定時器到期,則看門狗定時器會觸發一次“吠叫(bark)”。一旦發生“吠叫”,充電IC會向 MCU 發送中斷,然後啟動二級定時器。如果在二級定時器到期之前仍然沒有 I2C 事務,則觸發“咬(bite)”。在這種情況下,所有充電 IC 的寄存器都被重置為其默認值,並且為安全起見禁用充電。在一些帶NVDC 電源路徑管理的充電IC設計中,看門狗定時器的“咬(bite)”可以強制切換電池 FET,以切斷充電 IC 和 MCU 之間的電源,然後重啟 MCU。

MP2710 是一款具有電源路徑管理和 I2C 接口的緊湊型單節電池充電 IC。該器件提供一個可配置的看門狗定時器,它可以同時工作在充電和放電模式下,但在放電模式下可以禁用定時器以降低靜態電流。如果在主機模式下啟用了看門狗定時器(當可配置參數被修改時),主機必須寫入 MP2710,以定期復位定時器。如果定時器到期,則器件的大多數寄存器都將被重置回其默認模式。如果定時器在充電和放電模式下都到期,則低壓差 (LDO) FET 和電池 FET 將關斷4 秒。看門狗定時器可以禁用或設置為 40s、80s 或 120s,並且可以透過 I2C 復位。
 

電池溫度監測和 JEITA標準
充電 IC 的一項關鍵安全要求是能夠在充電期間監測電池的溫度,並在溫度超出指定範圍時控制充電電流和(或)電壓。在最簡單的實現中,充電 IC 提供兩個比較器,其熱閾值和冷閾值與電池組內的一個或多個負溫度係數 (NTC) 電阻器上的比例電壓相關。當電池組的溫度超過熱閾值或低於冷閾值時,充電將被禁用。

在更高級的實現中,充電 IC 可以實現5個或更多基於JEITA電池標準的溫度窗口。 JEITA(日本電子和信息技術產業協會)審查並確認用於技術報告的標準,該組織的電池標准在整個行業中被廣泛使用。在許多設計實現中,充電 IC 不僅應支持每個溫度閾值可配置,還應實現每個閾值的可配置響應,例如降低充電電流或最大電池充電電壓,或完全禁用充電。這種可配置性至關重要,因為大多數電池組製造商僅為各種電池類型和溫度範圍指定了唯一的充電電流和電壓要求。

MP2651 是一款 1至 4 節升降壓電池充電IC,它提供具有4個溫度閾值和5個窗口的完全可定制 JEITA 配置文件。默認上電閾值和充電行為,即cold、cool、warm和hot閾值,都可透過一次性可編程 (OTP) 存儲器進行配置,並透過 I2C 接口修改。這些閾值透過 VNTC 和 NTC 接腳之間的電壓比監控,其中每個電壓均對應電池組中 NTC 電阻器的一個特定溫度。為了進一步了解任一給定時間的電池溫度,MP2651還整合了一個類比數位轉換器 (ADC),用於監測NTC 接腳和其他關鍵參數。憑藉所有這些監測功能,MP2651不僅能夠滿足JEITA 標準,同時還提供額外的電池溫度信息以及靈活性,可以安全地應用於不同的電池。

 
結論
從單電池充電IC 到具有 兩個 或 三個以上串聯電池的充電 IC,MPS 的電池充電IC解決方案涵蓋了各種高性能 IC,它們將助力設計人員完善各種電池充電應用。選擇電池充電 IC 需要考量多種因素,例如充電曲線、充電IC拓撲(例如開關或線性充電IC)、電源路徑管理結構、電池配置和安全特性(例如看門狗定時器和 JEITA 溫度監測)。了解這些參數如何影響系統和電池規格,就能夠做出最佳選擇。

*Article Source: MPS Website - Battery Charger Fundamentals
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