整合式CFE防护提高充电系统层级安全性

　　使用高度整合式线性电池充电器为单颗锂电池充电相当普遍，因为这类充电器符合可携式装置的设计简化、低成本及小体积尺寸等需求。其中的设计难题，在于使电池充电器维持在安全温度运作范围内，同时尽可能降低产生的热量。最新开发的电池充电器具备散热调节功能，能够达到最高的充电速率，并且尽可能缩短充电时间，同时解决散热问题。

　　线性充电器只是将转接器的DC电压调降至电池电压的程度。线性充电器的功耗计算如下：

　　充电器从预先充电转换为快速充电模式，且达最高功耗时，输入电压与电池电压间的差异便相当大。例如，若使用5伏特转接器为1,200毫安培小时(mAh)锂电池充电，当充电电流为1安培(A)且电池电压为3.2伏特时，最大功耗即为1.8瓦(W)。对于热阻抗为47℃/瓦的3毫米×3毫米四方形平面无接脚封装(QFN)，功耗会造成温度升高85℃。接点温度会超过允许的操作温度上限(45℃环境温度下为125℃)。确保良好的散热设计在开始充电时，将接点温度维持在安全范围内，是一项相当困难的工作。在充电过程中，随着电池电压升高，功耗也会逐渐下降。

　　散热调节回路可避免充电器过热

　　如何确保充电器维持在安全温度运作范围内，并提升散热设计是一大挑战，较进阶的电池充电器采用散热调节回路避免充电器过热。内部晶片温度达到预先定义的温度临界值时，如110℃，后续的IC温度提高，都会减少充电电流，如此即可限制功耗，提升充电器的过热防护。导致IC接点温度达散热调节程度的最大功耗，取决于印刷电路板(PCB)配置、散热通孔数及环境温度(图5)。

　　图5 电池充电器的一般应用电路

　　散热回路运作时，充电电流会达到充电终止临界值，这会导致错误终止充电，因为散热调节功能通常是在快速充电的早期阶段启动。为避免错误终止充电，只要散热调节回路处于运作状态，就不会使电池充电终止。此外，有效充电电流也会减少，使电池充电时间增加，因此，固定式安全计时器可能导致充电安全计时器错误终止。先进的电池充电器采用可自动减速时脉频率的动态安全计时器，动态计时器控制电路可有效延长安全计时器持续时间，大幅降低安全计时器因散热调节引起的故障机率。

　　加入第二层过压防护提高电池安全性

　　如何才能提高系统层级充电的安全性和可靠性呢?一般可采用许多不同的转接器为可携式装置供电，但不同的制造商往往采用不同的电流规格，使得可携式装置的系统设计人员必须克服技术难题，在使用不同转接器时满足各种安全要求，其中的困难包括输入过压、输入过流、电池过压及反向输入电压，这些都会造成系统损坏。

　　转接器热插拔、转接器错误、暂态或稳定状态过压等问题，都可能导致输入过压。当转接器热插入时，缆线电感与系统输入解耦合电容之间的谐振会导致过压。对于独立式充电器而言，输入过流可能不会造成问题，因为稳定电流模式会限制供应给输出或电池的电流量。不过，对于系统输入有直接电源路径的先进电池充电器而言，在输入过多电流时通常没有任何防护。

　　长期以来，设计人员对于转接器在电流限制模式下运作有些顾虑，希望可程式输入电流限制电路能确保转接器不进入此模式。锂离子/锂聚合物电池组在高温下过度充电，可能会发生危险的燃烧状况。过度充电的迹象就是电池电压升高。愈来愈多制造商都在寻找可确保电池组安全性与规范的安全措施，若要提高电池安全性，可加入第二层过压防护移除输入电源，在侦测电池过压时关闭CFE功率金属氧化物半导体场效电晶体(MOSFET)即可。

　　图6显示一般系统层级CFE电路。高电压防护CFE可将高输入电压与低压充电器及系统相隔离，以免系统出现高电压。整合所有安全功能，包括输入电流限制与防护、输入电压防护及电池过压防护。无论出现何种故障状况，CFE都会关闭MOSFET进行适当防护，以提升整体系统安全性。

　　图6 一般的系统层级CFE电路

　　依据电池特性、充电器IC设计，以及系统层级安全考量，对设计更安全的电池充电系统相当重要，运用CFE、电池充电器IC及电池组的安全防护机制，充电系统可发挥更稳定的安全效能。完全整合式CFE可提高充电系统层级安全性，而更安全的电池充电器设计可延长电池使用寿命，并避免过度充电的危险。