过电压和过电流保护提高了充电管理系统的安全性和可靠性

　　对于小型轻巧便携式应用而言，当前大家首选的可充电电池为锂离子电池。但当谈及手机、便携式媒体播放器或导航设备以及其他此类设备的电源管理时，设计工程师会使用一组定义明确的电压电流范围，其中包括作为电源的电池，向电池准确可靠地提供能量的充电器，以及线性稳压器或用于系统电源转换的 DC/DC 转换器。 

　　不过，电源管理设计人员并不能控制设备中实际使用的电源。该设备可以连接至许多不同种类的电源，如稳压和非稳压 AC/DC 适配器，USB 集线器和端口，以及车载和工业电源系统。这些电源能引起一系列的问题。由于对外部电源知之甚少，因此需要谨慎设计以保护应用免受未知或不可预料事件的损害。

　　在电路和电池应用中，现代保护方案可保护敏感充电电子元件免受高电压和过电流条件的损害，通过快速关断的卓越的电压电流管理能力为应用提供安全可靠的充电前端。

　　单体锂离子电池充电系统

　　单体锂离子电池应用中典型的充电和电源管理通常包括两个组件：电源和电源转换电路。用户将一个 AC/DC 墙上适配器或计算机的一根 USB 线缆插到便携式设备中，以提供大约 5V 的电源电压。在该设备中，充电

管理芯片对电池充电进行稳压，并为主系统稳压器提供电源。充电管理芯片可以是与高集成的电源管理单元（PMU，包含许多DC/DC和低压降 (LDO) 稳压器）结合使用的独立充电器。此外，充电功能还被集成到 PMU 中。图 1 显示了单体锂离子电池组电源系统的基本架构。

　　以前，设备厂商限制可整合到他们的应用中的电源类型，以确保电子设备附带的电源适配器符合特定的工作性能要求。USB 充电并没有得到广泛应用。

　　不过，由于消费电子类产品的巨大成本压力，供应商试图通过简化电源适配器或取消电源适配器和仅提供一根 USB 充电线缆来降低系统成本。此外，巨大的零配件市场允许消费者采购适合他们的电子设备的任何类型的电源适配器。USB 充电由于其方便特性成为单体锂离子电池应用的实际标准。中国政府也要求新生产的便携式电子设备有通用的充电器接口。

　　由于设备对外接电源没有限制，因此电源设计人员必须预料到各种各样的设备工作和故障模式。零配件市场中的低价 AC/DC 适配器，即使有设计规范，也不那么严格。这可能允许电源线路的峰值 (spike) 现象，或允许简单的变压器型适配器的开路电压抵达充电和电池系统。适配器的电子元件可能失效，从而造成不可预见的过电压或过电流状况。长距离线缆的电感效应可能造成更多的电压和电流瞬变问题。USB 端口和专用 USB 充电器，尽管可能符合 USB 规范，但是很多时候都没有精确稳压到 5V 电源电压。

　　那么为什么有潜在的可靠性和安全性问题呢？有人可能会认为充电电路提供了足够的安全机制，可以承受电源临时或长期的异常工作条件。不幸地是，实际情况刚好相反。绝大多数的独立充电 IC（事实上包括当今市场上所有的模拟基带 PMU）都采用了低电压半导体工艺，通常提供的绝对最大电压为 6 到 7V。对于 5V 系统中的过电压条件而言，这一最大电压并没有提供很多的安全裕度。

　　造成这一情况的是工艺问题。只有极少数的半导体公司才拥有结合高电压电子晶体管和高度集成的芯片逻辑的必要工艺技术，以制造符合成本有效目标的高性能充电 IC。对于具有电压管理之外功能（如音频信号处理或触摸屏控制）的集成 PMU 来说，若要实现最大可能的集成度，同时又保持最高的音频性能和精度，则要求使用小体积 (small-structure)、低电压的 CMOS 工艺。不过，提高集成度的代价是，最大允许电压额定值将有所下降。

　　电路和电池保护考虑因素

　　从本质上来说，电源转换系统前端的电压和电流条件可能会有三个方面的问题。

　　首先，电源输入电压可能会超过安全工作电压电平（定义为电路在没有损害情况下，可持续工作的电压电平）。其次，异常负载条件可能会造成充电或电源转换电路试图从电源处获得超出许可范围（许可范围内不会损害电源，或符合输入电流的给定标准）的电流。最后，充电器可能会发生故障，使得锂离子电池稳压电压超出安全工作电平，甚至可能引起爆炸。

　　传统上，过电压保护是通过瞬态电压抑制器（瞬变吸收器）实现的，而实现瞬变吸收器功能的是针对大功率应用的齐纳二极管。但是瞬变吸收器的响应速度可能较慢，并且它们的保护阈值不是太精确。此外，它们的体积相对较大。专用的集成输入过电压 (OVP) 电路的响应速度更快，并且更精确。不过，这仍不足以确保整体的系统安全性和可靠性，因为此种保护方法仅适用潜在有害工作条件的一种可能情况。可以使用保险丝进行过电流保护，但是在瞬变吸收应用中，对快速电压和电流瞬变来说，保险丝的响应时间可能不够。倘若电路永久性毁坏，则需要返回厂商进行修理。除了消费者安全外，避免成本高昂的现场退货是设备厂商努力寻求更高级保护措施的首要原因。与提供更多安全保护层一样，产品设计应小巧且成本较低，并且有足够能力以避免永久性故障。

　　 图 2 中电路的设计旨在保护锂离子电池免受充电电路和电源故障的影响。IC 不断监控输入电压和电流以及电池电压。若出现输入过电压情况，则 IC 将立即通过切断内部开关来切断充电电路的电源。若出现过电流状况，则 IC 会将系统电流限制在预编程阈值内。若过电流状况一直持续，则在消隐期后 IC 将切断导通元件。

　　此外，IC 会监控其自己的裸片温度，并在裸片变得太热时予以切断。输入过电流阈值为用户可编程的，允许电流最大可达 1.5A。一个处理器就可对电路进行控制，并且电路会向主处理器提供故障状态信息。对于对空间限制有极高要求的便携式设备而言，电路仅使用两个很小的 1-µF 电容。电路封装在一个很小的2×2 mm2封装中，这与先前所述使用保险丝和瞬变吸收器的离散方法相比，极大地减少了完整高性能保护解决方案的尺寸。

　　 如果 AC 适配器的输入电压超过了预编程数值(VOVP)，如图3绿色

水平线所示，则作为导通元件的内部 FET 将关断，切断了电路的电源，FAULT 引脚将驱低。当输入电压回到 VOVP – VHYS-OVP （但仍然高于 VUVLO），则 FET 将在 tON(OVP) 干扰时间 (deglitch time) 以后再次启动，以确保输入电源的稳定。实施电压滞后是为了避免产生振铃。

　　 过电流阈值 IOCP 由连接于 ILIM 引脚至接地的电阻 RILIM 进行编程。如果负载电流试图超过 IOCP 阈值，则设备将在消隐期 (tBLANK(OCP)) 内限制电流，如图 4 所示。如果负载电流在 tBLANK(OCP) 时间内回到了 IOCP 以下，则设备继续工作。不过，若过电流状况持续时间超过 tBLANK(OCP)，则 FET 将关断 tON(OCP)，并且 FAULT 引脚将驱低。然后 FET 在 tON(OCP) 后再次启动，并且电流继续被完全监控。

　　每次出现 OCP 故障时，内部计数器将加一。如果在一个充电周期内出现了 15 次 OCP 故障，则 FET 将永久关断。计数器的清零可通过去掉并重新施加输入电力，或通过主处理器控制的 CE 引脚的关闭并重新启动设备进行。可以很容易看到简单的保险丝/瞬变吸收器的结合应用不能满足这一灵活性水平和系统安全性优化的要求。

　　尽管锂离子电池组通常有专用的安全电路对电池进行保护，避免电池受到不安全电压电平的损害，但最好还是增加一个备用安全电路，以确保电池被监控和保护，在电池组保护电路发生故障时避免电池受到异常工作条件的损害。

　　图 2 中的电池过电压阈值内部设置为 4.35V。如果电池电压超过了 BVOVP 阈值，则 FET 将切断，并且 FAULT 引脚驱低。FET 在电池电压下降到 BVOVP–VHYS-BOVP 时再次启动。每当电池出现过电压故障时，内部计数器将加一。如果一个充电周期内出现了了 15 次此类故障，则 FET 将永久关断。计数器的清零可通过去掉并重新施加输入电力，或利用 CE 引脚关闭并重新启动设备进行，这与 OCP 计数器清零一样。

　　除了保护系统免受意外不安全外部条件的损害外，该设计还可保护自身免受过热引起的损害。如果设备的结温超过了 TJ(OFF)，则将切断 FET，并且 FAULT引脚将驱低。FET 在结温降到关断温度 TJ(OFF) 减去允许的滞后TJ(OFF-HYS) 以下时重新启动，以避免错误的电压触发。

　　通常人们都希望将信号异常状况报告给主系统，以采取进一步措施。FAULT 引脚是一个开漏输出，在过电压、过电流以及电池过电压事件中变低。如果应用不要求对 FAULT 引脚进行监控，则可以留空不接。

　　IC 有一个开启和关闭设备的启动引脚。当 CE 引脚为高时，则内部 FET 将关闭。当 CE 引脚为低时，则只要其它条件安全，FET 将会启动。CE 引脚有一个内部下拉电阻，并可留空不接。请注意，FAULT 引脚在 CE 引脚为高时，其功能也被禁止。

　　结论

　　现代便携式设备可以由多种类型的电源进行充电，电源的工作和故障模式通常都是设计工程师未知的。虽然使用保险丝和瞬变吸收器的传统保护电路提供了某种程度的保护，但是不能满足当今对小尺寸封装、低功耗以及快速重复响应的要求。全面集成的过电压、过电流和电池过电压电路提供了最大化的安全性和可靠性，同时又仅占用最小的板级空间，并避免了昂贵的现场退货。