由于鋰電池同時(shí)具有重量和體積的高能量密度特性，鋰電池已廣泛用于可攜式裝置，但是鋰電池對(duì)于過(guò)度充電及過(guò)熱極為敏感，兩種情形皆可能導(dǎo)致熱失控及電池爆裂。如何設(shè)計(jì)安全的電池充電系統(tǒng)，已成為充電電池供電的裝置重大考量因素之一，本文將探討鋰電池安全性、充電電池設(shè)計(jì)、安全監(jiān)控，以及充電系統(tǒng)安全性等主要系統(tǒng)設(shè)計(jì)考量。

　　電池充電器IC角色關(guān)鍵

　　圖1顯示一般的電池充電系統(tǒng)，該系統(tǒng)輸入可以是交流電（AC）墻式轉(zhuǎn)接器供應(yīng)的直流電（DC）電源，或通用序列匯流排（USB）介面供應(yīng)的DC電源。一般的電池充電系統(tǒng)包括充電前端（CFE）、電池充電器及電池組。CFE防護(hù)積體電路（IC）整合輸入過(guò)壓、過(guò)流及電池過(guò)壓等防護(hù)機(jī)制，能夠提高電池供電系統(tǒng)的安全性。電池充電器IC可調(diào)節(jié)電池充電電壓及電流，并監(jiān)控電池溫度，以延長(zhǎng)電池使用壽命，并提高安全性。了解鋰電池特性，對(duì)于設(shè)計(jì)更安全的充電系統(tǒng)而言相當(dāng)重要。

　　圖1 一般的電池充電系統(tǒng)

　　鋰電池安全性不可忽視

　　由于鋰電池採(cǎi)用活性極高的材料，因此必須注意運(yùn)作溫度過(guò)高會(huì)加速電池衰減，導(dǎo)致熱失控，甚至使鋰電池爆裂的問(wèn)題。如果電池在高電流下過(guò)度充電或發(fā)生短路，就會(huì)出現(xiàn)快速升溫的現(xiàn)象。

　　鋰電池過(guò)度充電時(shí)，活性金屬鋰就會(huì)沉積在正極上，這種材料會(huì)大幅提高火災(zāi)發(fā)生機(jī)率，因?yàn)橹灰佑|電解液和負(fù)極材料就會(huì)爆裂。例如，鋰/碳嵌入化合物遇水會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而反應(yīng)產(chǎn)生的高溫可點(diǎn)燃釋放的氫氣。

　　對(duì)于4.3伏特（V）電池電壓而言，氧化鋰鈷（LiCoO2）等負(fù)極材料在溫度超過(guò)熱失控臨界值175℃時(shí)，就會(huì)與電解液發(fā)生反應(yīng)（圖2）。鋰電池採(cǎi)用聚烯烴（Polyolefin）等多微孔薄膜（Micro-porous Film）將正負(fù)電極加以電隔離。這些電極可達(dá)到絕佳的機(jī)械屬性與化學(xué)穩(wěn)定性，且價(jià)格合理。聚烯烴的熔點(diǎn)較低，介于135～165℃之間，可作為溫度保險(xiǎn)絲。隨著溫度接近聚合物的熔點(diǎn)，便不再具有滲透性（Porosity），在鋰離子不再于電極之間流動(dòng)時(shí)關(guān)閉電池。

　　圖2 電池?zé)崾Э?/p>

　　此外，正向溫度係數(shù)（PTC）裝置和安全出口（Vent）能提供額外防護(hù)，一般而言，負(fù)極終端外殼通常採(cǎi)用鍍鎳鋼鐵。外殼封閉后，金屬粒子會(huì)污染電池內(nèi)部。這些粒子會(huì)隨著時(shí)間進(jìn)入分離器，導(dǎo)致電池正負(fù)極兩側(cè)之間的絕緣層衰減，這會(huì)造成正負(fù)極之間的微小短路，使電子自由流動(dòng)，最終導(dǎo)致電池故障。這種故障通常只會(huì)導(dǎo)致電池電量耗盡，無(wú)法正常運(yùn)作。在極罕見(jiàn)情況下，電池會(huì)出現(xiàn)過(guò)熱、融化、起火甚至爆裂等現(xiàn)象。

　　安全電池充電器設(shè)計(jì)三部曲

　　圖3顯示常用的鋰電池充電配置，鋰電池充電包括叁個(gè)階段，首先是預(yù)先充電，接著是快速充電穩(wěn)定電流（CC），最后是穩(wěn)定電壓（CV）。在預(yù)先充電中，電池以低速率充電。電池電壓低于3.0伏特時(shí)，充電速率通常是快速充電速率的十分之一。鈍化層在深度放電狀態(tài)下，長(zhǎng)期沉積后可能溶解，便可逐漸恢復(fù)。此外，過(guò)度放電的陽(yáng)極短路電池上出現(xiàn)部分銅分解時(shí)，預(yù)先充電可防止在1℃充電速率（可在1個(gè)小時(shí)內(nèi)使電池完全放電的電流）下出現(xiàn)過(guò)熱狀況。

　　圖3 鋰電池充電配置

　　預(yù)先充電安全計(jì)時(shí)器，可避免電量耗盡的電池長(zhǎng)時(shí)間充電。一般而言，電池電壓達(dá)到3.0伏特，充電器就會(huì)進(jìn)入CC階段。快速充電電流通常限定在0.5～1℃之間，以避免過(guò)熱導(dǎo)致電池加速衰減。速率必須慎選，確保電池溫度不超過(guò)45℃，以快速充電速率進(jìn)行電池充電，直至電壓達(dá)到調(diào)節(jié)限度（對(duì)于LiCoO2的陰極通常是每顆電池4.2伏特）為止。充電器開(kāi)始調(diào)節(jié)電池電壓并進(jìn)入CV階段，此時(shí)充電電流會(huì)等比下降至預(yù)先定義的終止程度，結(jié)束電池充電。

　　對(duì)于電池使用壽命及安全性而言，電池充電電壓的準(zhǔn)確性相當(dāng)重要。更高的電池充電電壓可提高充電容量，但是會(huì)縮短電池使用壽命，如圖4所示。對(duì)于±2.5%容差的電池充電電壓而言，充電電壓可能會(huì)達(dá)到4.3伏特，這會(huì)導(dǎo)致熱失控及安全性問(wèn)題。為避免電池高溫充電，并提高安全性，充電器IC必須監(jiān)控電池組的溫度。只有在電池溫度維持在安全範(fàn)圍內(nèi)（0～45℃）時(shí)，電池才能充電，電池組通常會(huì)利用電熱調(diào)節(jié)器讓溫度達(dá)到安全範(fàn)圍。此外，通常須要快速充電安全計(jì)時(shí)器，避免電量耗盡的電池長(zhǎng)時(shí)間充電。一旦經(jīng)過(guò)安全時(shí)間，即便電池未達(dá)到充電終止電流狀態(tài)，電池充電器也必須結(jié)束充電。

　　圖4 LiCoO2陰極鋰電池的充電電壓與使用壽命之間的關(guān)係

　　使用高度整合式線性電池充電器為單顆鋰電池充電相當(dāng)普遍，因?yàn)檫@類充電器符合可攜式裝置的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化、低成本及小體積尺寸等需求。其中的設(shè)計(jì)難題，在于使電池充電器維持在安全溫度運(yùn)作範(fàn)圍內(nèi)，同時(shí)盡可能降低產(chǎn)生的熱量。最新開(kāi)發(fā)的電池充電器具備散熱調(diào)節(jié)功能，能夠達(dá)到最高的充電速率，并且盡可能縮短充電時(shí)間，同時(shí)解決散熱問(wèn)題。

　　線性充電器只是將轉(zhuǎn)接器的DC電壓調(diào)降至電池電壓的程度。線性充電器的功耗計(jì)算如下：

　　充電器從預(yù)先充電轉(zhuǎn)換為快速充電模式，且達(dá)最高功耗時(shí)，輸入電壓與電池電壓間的差異便相當(dāng)大。例如，若使用5伏特轉(zhuǎn)接器為1，200毫安培小時(shí)（mAh）鋰電池充電，當(dāng)充電電流為1安培（A）且電池電壓為3.2伏特時(shí)，最大功耗即為1.8瓦（W）。對(duì)于熱阻抗為47℃/瓦的3毫米×3毫米四方形平面無(wú)接腳封裝（QFN），功耗會(huì)造成溫度升高85℃。接點(diǎn)溫度會(huì)超過(guò)允許的操作溫度上限（45℃環(huán)境溫度下為125℃）。確保良好的散熱設(shè)計(jì)在開(kāi)始充電時(shí)，將接點(diǎn)溫度維持在安全範(fàn)圍內(nèi)，是一項(xiàng)相當(dāng)困難的工作。在充電過(guò)程中，隨著電池電壓升高，功耗也會(huì)逐漸下降。

　　散熱調(diào)節(jié)迴路可避免充電器過(guò)熱

　　如何確保充電器維持在安全溫度運(yùn)作範(fàn)圍內(nèi)，并提升散熱設(shè)計(jì)是一大挑戰(zhàn)，較進(jìn)階的電池充電器採(cǎi)用散熱調(diào)節(jié)迴路避免充電器過(guò)熱。內(nèi)部晶片溫度達(dá)到預(yù)先定義的溫度臨界值時(shí)，如110℃，后續(xù)的IC溫度提高，都會(huì)減少充電電流，如此即可限制功耗，提升充電器的過(guò)熱防護(hù)。導(dǎo)致IC接點(diǎn)溫度達(dá)散熱調(diào)節(jié)程度的最大功耗，取決于印刷電路板（PCB）配置、散熱通孔數(shù)及環(huán)境溫度（圖5）。

　　圖5 電池充電器的一般應(yīng)用電路

　　散熱迴路運(yùn)作時(shí)，充電電流會(huì)達(dá)到充電終止臨界值，這會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤終止充電，因?yàn)樯嵴{(diào)節(jié)功能通常是在快速充電的早期階段啟動(dòng)。為避免錯(cuò)誤終止充電，只要散熱調(diào)節(jié)迴路處于運(yùn)作狀態(tài)，就不會(huì)使電池充電終止。此外，有效充電電流也會(huì)減少，使電池充電時(shí)間增加，因此，固定式安全計(jì)時(shí)器可能導(dǎo)致充電安全計(jì)時(shí)器錯(cuò)誤終止。先進(jìn)的電池充電器採(cǎi)用可自動(dòng)減速時(shí)脈頻率的動(dòng)態(tài)安全計(jì)時(shí)器，動(dòng)態(tài)計(jì)時(shí)器控制電路可有效延長(zhǎng)安全計(jì)時(shí)器持續(xù)時(shí)間，大幅降低安全計(jì)時(shí)器因散熱調(diào)節(jié)引起的故障機(jī)率。

　　加入第二層過(guò)壓防護(hù)提高電池安全性

　　如何才能提高系統(tǒng)層級(jí)充電的安全性和可靠性呢？一般可採(cǎi)用許多不同的轉(zhuǎn)接器為可攜式裝置供電，但不同的製造商往往採(cǎi)用不同的電流規(guī)格，使得可攜式裝置的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須克服技術(shù)難題，在使用不同轉(zhuǎn)接器時(shí)滿足各種安全要求，其中的困難包括輸入過(guò)壓、輸入過(guò)流、電池過(guò)壓及反向輸入電壓，這些都會(huì)造成系統(tǒng)損壞。

　　轉(zhuǎn)接器熱插拔、轉(zhuǎn)接器錯(cuò)誤、暫態(tài)或穩(wěn)定狀態(tài)過(guò)壓等問(wèn)題，都可能導(dǎo)致輸入過(guò)壓。當(dāng)轉(zhuǎn)接器熱插入時(shí)，纜線電感與系統(tǒng)輸入解耦合電容之間的諧振會(huì)導(dǎo)致過(guò)壓。對(duì)于獨(dú)立式充電器而言，輸入過(guò)流可能不會(huì)造成問(wèn)題，因?yàn)榉€(wěn)定電流模式會(huì)限制供應(yīng)給輸出或電池的電流量。不過(guò)，對(duì)于系統(tǒng)輸入有直接電源路徑的先進(jìn)電池充電器而言，在輸入過(guò)多電流時(shí)通常沒(méi)有任何防護(hù)。

　　長(zhǎng)期以來(lái)，設(shè)計(jì)人員對(duì)于轉(zhuǎn)接器在電流限制模式下運(yùn)作有些顧慮，希望可程式輸入電流限制電路能確保轉(zhuǎn)接器不進(jìn)入此模式。鋰離子/鋰聚合物電池組在高溫下過(guò)度充電，可能會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)的燃燒狀況。過(guò)度充電的跡象就是電池電壓升高。愈來(lái)愈多製造商都在尋找可確保電池組安全性與規(guī)範(fàn)的安全措施，若要提高電池安全性，可加入第二層過(guò)壓防護(hù)移除輸入電源，在偵測(cè)電池過(guò)壓時(shí)關(guān)閉CFE功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效電晶體（MOSFET）即可。

　　圖6顯示一般系統(tǒng)層級(jí)CFE電路。高電壓防護(hù)CFE可將高輸入電壓與低壓充電器及系統(tǒng)相隔離，以免系統(tǒng)出現(xiàn)高電壓。整合所有安全功能，包括輸入電流限制與防護(hù)、輸入電壓防護(hù)及電池過(guò)壓防護(hù)。無(wú)論出現(xiàn)何種故障狀況，CFE都會(huì)關(guān)閉MOSFET進(jìn)行適當(dāng)防護(hù)，以提升整體系統(tǒng)安全性。

　　圖6 一般的系統(tǒng)層級(jí)CFE電路

　　依據(jù)電池特性、充電器IC設(shè)計(jì)，以及系統(tǒng)層級(jí)安全考量，對(duì)設(shè)計(jì)更安全的電池充電系統(tǒng)相當(dāng)重要，運(yùn)用CFE、電池充電器IC及電池組的安全防護(hù)機(jī)制，充電系統(tǒng)可發(fā)揮更穩(wěn)定的安全效能。完全整合式CFE可提高充電系統(tǒng)層級(jí)安全性，而更安全的電池充電器設(shè)計(jì)可延長(zhǎng)電池使用壽命，并避免過(guò)度充電的危險(xiǎn)。