配合移动设备应用充电新趋势的保护解决方案

2011-05-26 11:45:13来源: 互联网

为便携式产品的电池充电有几种方式。以手机为例,我们可以利用墙式适配器或者其它充电设备充电,这种方式提供的电流可以达到2A,墙式适配器产生的高压有可能达到30V;也可以通过USB线来进行充电,它可以提供500mA的充电电流,但是USB线上的高压也有可能达到20V;同时,我们也可以通过手机对附件进行供电,比如调频收发器等外部附件。加强充电、供电保护,使电池的安全性更高、可用时间更长、可用电压更宽、充电时间更短、生命周期更长,是移动设备发展的一个趋势
直流充电通道的保护(从墙式适配器到电池)

图1是一个典型的充电电路示意图,该充电电路主要有以下几个问题:对于直接充电来讲,充电得不到保护;对于反向放电来讲,没有优化压降,同时也没有控制反向的放电电流。这些问题都会极大地影响系统的安全性、电池的可用时间以及电池的充电时间,与电池充电市场的发展趋势背道而驰,所以必须重新设计系统的保护方案。


图1 典型的充电电路示意图

我们知道系统的保护仅仅依靠充电器本身是不够的,需要添加额外的设想保护方案(Box)。相应的保护方案有两种:第一种是将设想保护方案集成在充电器IC里,第二种是采用独立的外部器件来进行保护,目前的大趋势是采用独立的外部器件。

针对对直接充电,设想保护方案首先应该解决浪涌电流效应的问题,其次应该解决正向和反向的过压保护,这两个保护功能是必须要有的。此外,还包括直接充电的过流保护以及电池电压的监测,这两项保护功能是可选的。

浪涌电流效应。由于寄生电感和输入电容的影响,充电器在热插入时可能产生高压的振铃,损害集成电路,此时我们需要控制保护方案内部的MOSFET,使系统内部的电流和电压不超过额定值。

正向和负向过压保护。由于AC-DC的瞬态、适配器故障或错误,保护方案的输出不能超过便携系统的最大额定电压,所以要保护源自墙式适配器的过压保障,需要具备+28V的正向过压保护以及-28V的反向过压保护。只有在过压比较器的输入比系统的最大额定电压低的时候,保护器件才能保持导通状态。

直接充电通道的过流保护。如果直接充电通道出现过流的话,可能会损坏系统。但是过流保护特性应该为可选的,主要是因为:首先,充电电路内的充电电阻会检测充电电流,并且由充电IC来控制该充电电流;其次,AC/DC转换器的输出能力是有限的,如果出现过流,AC/DC转换器的电压会急剧的跌落。

电池电压监测。截至目前为止,锂离子电池的最大电压为4.35V,在电池组中集成了电压监测功能,某些应用甚至集成了两个电池包的保护方案,而且充电电路也会监测电池电压,因此电池电压监测可以增加到设想的保护方案当中。但由于在系统中已经有多处提供了这种保护功能,因此该功能应该是可选的。

综上所述,设想保护方案(Box)必须具备下列特性:

1. 过压锁定能力。只有在总线电压低于系统的最大额定电压的时候,保护器件才应该是导通的。如果出现过压,保护器件应该处于断开状态以保护内部的系统。

2. 具备抗过压能力。采用墙式适配器充电的时候为+28V,利用USB充电的时候为+20V。

3. 具有电流通过能力。利用墙式适配器充电的时候,电流可能达到1A甚至2A;在使用USB充电时,最大电流为500mA,

4. 能够对浪涌电流进行控制。

5. 保护器件与充电IC应该相互独立。

如果具备了以上特性,直接充电通道将会得到良好的保护。

反向供电通道(从电池到附件)

对于反向供电通道来讲,设想的解决方案(Box)必须解决以下几个问题:电池放电、反向过流、反向浪涌电流、短路保护,并尽量降低反向电路的电压电路。

电池放电。当输入电压低于电池电压时,应该避免电池放电,因为此时附件可能是没有插入的。这时应该采用背对背的解决方案,在Vin小于Vbat的时候,防止电池漏电。只有在检测到附件时,才支持反向供电。

反向过流保护功能。当连接错误的附件或有缺陷的附件的时候,电池仍然有可能放电到附件,而且反向放电的电流可能超过充电通道的电流通过能力。由于充电器无法检测到反向电流,因此需要增加另外的模块来检测反向电流。

反向浪涌电流抑制。插入附件的时候,如果没有电流保护方案,可能从电池流出极高的浪涌电流,而且可能产生过高的振铃,从而损害器件,所以必须采用电流监测功能来控制反向MOSFET的门极,从而消除振铃和浪涌电流。

短路保护。如果附件出现直接短路,可能会瞬时涌现源自电池的极高电流,所以保护器件应该提供过流保护,而且可以通过外部电阻对电流进行设置以适应不同的系统要求。另外,保护器件应该具有自动恢复功能,即当外部短路状况消除之后,系统会自动地恢复工作。

从电池到外部附件的电压电路。必须降低电池和附件之间的损耗,如果电压电路过高的话,会产生额外的损耗,影响到电池的可用电压。

综上所述,设想的保护方案(Box)应该具备以下的特性:

1. 对于电池放电来讲,应该采用背对背的结构,防止电池漏电。

2. 应该具备反向过流保护功能。

3. 应该对反向浪涌电流进行控制。

4. 应该对反向供电通道的短路进行保护。

5. 导通电阻应该尽可能的低,即使通道的电压跌落尽可能的低,减少额外的损耗。

只有具备了以上特性,反向通道才能得到良好的保护。

因此,我们建议的解决方案的架构是:具有背对背的N-MOSFET、具备正向和反向的过压保护以及反向过流保护功能、具有极低的静态电流等功能。(图2)

集成解决方案的细节

图3所示为集成解决方案的细节框图,由于采用的是背对背的N-MOS结构,通过第一个N-MOS(标识1)的门极,可以防止浪涌电流进入系统内部,同时这个N-MOS也提供正向的过压保护。


图3 集成解决方案 
 


图4 安森美OVP产品系列

背对背N-MOS结构的另一个N-MOS(标识2)提供-28V的过压保护。之前采用的一般是P-MOS,但相对于P-MOS,N-MOS的导通电阻更低,使电池能够工作在更低电压下。同时N-MOS支持更大的电流,而且这个N-MOS还通过检测电流来控制反向通道的浪涌电流,提供反向过流保护。

此外,方案还应提供过流保护(标识3),并且过流保护的电流值可以通过外部电阻设定。同时集成方案还要提供状态标记引脚(标识4)以及逻辑控制引脚(标识5),并控制芯片的工作模式。

反向过流保护功能。当连接错误的附件或有缺陷的附件的时候,电池仍然有可能放电到附件,而且反向放电的电流可能超过充电通道的电流通过能力。由于充电器无法检测到反向电流,因此需要增加另外的模块来检测反向电流。

反向浪涌电流抑制。插入附件的时候,如果没有电流保护方案,可能从电池流出极高的浪涌电流,而且可能产生过高的振铃,从而损害器件,所以必须采用电流监测功能来控制反向MOSFET的门极,从而消除振铃和浪涌电流。

短路保护。如果附件出现直接短路,可能会瞬时涌现源自电池的极高电流,所以保护器件应该提供过流保护,而且可以通过外部电阻对电流进行设置以适应不同的系统要求。另外,保护器件应该具有自动恢复功能,即当外部短路状况消除之后,系统会自动地恢复工作。

从电池到外部附件的电压电路。必须降低电池和附件之间的损耗,如果电压电路过高的话,会产生额外的损耗,影响到电池的可用电压。

综上所述,设想的保护方案(Box)应该具备以下的特性:

1. 对于电池放电来讲,应该采用背对背的结构,防止电池漏电。

2. 应该具备反向过流保护功能。

3. 应该对反向浪涌电流进行控制。

4. 应该对反向供电通道的短路进行保护。

5. 导通电阻应该尽可能的低,即使通道的电压跌落尽可能的低,减少额外的损耗。

只有具备了以上特性,反向通道才能得到良好的保护。

因此,我们建议的解决方案的架构是:具有背对背的N-MOSFET、具备正向和反向的过压保护以及反向过流保护功能、具有极低的静态电流等功能。(图2)

集成解决方案的细节

图3所示为集成解决方案的细节框图,由于采用的是背对背的N-MOS结构,通过第一个N-MOS(标识1)的门极,可以防止浪涌电流进入系统内部,同时这个N-MOS也提供正向的过压保护。


图3 集成解决方案 
 


图4 安森美OVP产品系列

背对背N-MOS结构的另一个N-MOS(标识2)提供-28V的过压保护。之前采用的一般是P-MOS,但相对于P-MOS,N-MOS的导通电阻更低,使电池能够工作在更低电压下。同时N-MOS支持更大的电流,而且这个N-MOS还通过检测电流来控制反向通道的浪涌电流,提供反向过流保护。

此外,方案还应提供过流保护(标识3),并且过流保护的电流值可以通过外部电阻设定。同时集成方案还要提供状态标记引脚(标识4)以及逻辑控制引脚(标识5),并控制芯片的工作模式。

关键字:配合  应用  充电  趋势

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0526/article_9142.html
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