強化電路設計與保護功能　USB鋰電池充電效率大躍進

近年來，鋰電池(Lithium Battery)充電積體電路(IC)發展十分快速，整合性也大幅提升，越來越多的充電IC不單單只能拿來做為充電之用，有些充電IC也把開關轉換器(Switching Converter)、線性穩壓器(Linear Regulator)和電源路徑(Power Path)都給包進設計；另外，也有些充電IC可接受較高的輸入電壓，我們稱之為HV Battery Charger IC或Solar Charger，其廣泛地使用在電動車或太陽能電池儲能系統。

然而，在出貨量最大的可攜式產品中，智慧充電電池(Smart Battery Charger)IC則是目前市場上的主流，且廣泛應用於智慧型手機、平板電腦和MP3播放器等消費型電子產品。其中，可攜式電子商品的通用序列匯流排(USB)充電方案，更是時下最流行的選擇，有鑑於此，本文將特別介紹USB鋰電池充電系統，以幫助讀者能更了解此一領域。

深入剖析模組架構　鋰電池電路設計事半功倍

一般手機或筆記型電腦的電池，大多都已是一個系統模組。由於鋰電池模組能量密度高、循環壽命長、有較寬的充電功率範圍和放電性能好，使其成為目前市場上主流產品。圖1為典型的USB鋰電池充電系統，其中的鋰電池模組大多會包含鋰電池、電池保護電路和電池測量電路等三個主要的元件。

圖1　USB鋰電池充電系統方塊圖

鋰電池模組中的主角--鋰電池分為液態鋰離子電池(LIB)和聚合物鋰離子電池(PLB)兩大類，其中液態鋰離子電池是指鋰+嵌入化合物為正、負極的二次電池，電池正極採用鋰化合物氧化鋰鈷(LiCoO₂)或鋰錳氧化物(LiMn₂O₄)，負極採用鋰碳層間化合物，因為鋰電池是迄今所有商業化使用的二次化學電源中，性能最為優秀的一種電池，同時這也是鋰電池常用於可攜式電子產品的一個關鍵因素。

在電池保護(Battery Protection)電路中，現在大多採用一顆電池保護IC實現，主要防止電池在使用過程中，因過度充、放電和過電流影響電池使用壽命和性能。在電路設計上，大多採用多組比較器來偵測充電的過電流和電壓、放電的短路和電壓、過充的過電流和電壓後，藉由內部開關Power MOS的導通與否，來對電池充電，以防止鋰電池意外燃燒或爆炸。

另外，電池測量(Fuel Gauge)電路，現在大多也是採用一顆電池測量IC去實現，主要提供系統應用端一個即時準確的電池訊息，以確保系統可有效對電池進行省電處理。在電路設計上，大多採用多組類比數位轉換器(ADC)，將電池的溫度、電壓及電流訊息，轉為數位訊號寫入EEPROM中，再利用DIO(Date I/O)Pin將電池資料提供給處理器；而PIO(Programmable I/O)Pin則是提供設計者設定輸出入偵測與控制外部的電路。

以上鋰電池、電池保護電路和電池測量電路，系統工程師通常不須要去設計它，因為大部分的電池廠商皆已將電池保護和電池測量電路做成一片印刷電路板(PCB)保護電路晶片，這片PCB板連接鋰電池後，就成為典型的鋰電池模組。在系統的應用端，開發人員大多著重在USB鋰電池充電路，在此本文將採用AIC1790鋰電池充電管理IC設計一組具有狀態顯示、電源保護功能的USB鋰電池充電模組。

妥當設定電流上限　鋰電池充電安全又可靠

在一般規範中，USB 2.0的一個埠最高可達500毫安培(mA)電力，而USB 3.0的一個埠則增加到900mA的電力，其中主要供應電壓為5伏特(V)，所以在USB鋰電池充電電路的IC選擇須考慮到以上的規格。然而，AIC1790鋰電池充電IC已幫開發人員考慮到這點，輸入端的電壓、電流將可滿足USB規範(USB Compliant)，設計上只須在輸入端，外加一顆PMOS與蕭特基(Schottky)二極體做開關，當系統鋰電池充電電路採用USB連接器充電時，此時PMOS導通，USB直接提供AIC1790系統電源、對鋰電池充電；當系統直接提供5V的系統電源時，此時PMOS不導通，透過蕭特基二極體提供AIC1790系統電源、對鋰電池充電，請參考圖2的USB鋰電池充電應用電路。

圖2　USB鋰電池充電電路

另外，開發人員還可設定充電電流去符合不同的鋰電池，透過公式1，使用最適當RSET電阻，提供開發人員最適當的恆流充電，例如鋰電池是1,100mAh的容量，其最大的充電電流即為1,100mA，恆流充電則設為500mA，V_(CHG)為輸出電流設定電壓為2.5V，K_(SET)輸出電流設定係數為1,000，代入公式1中可得RSET電阻為5KΩ。

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至於鋰電池預充的電流，透過公式2就可知道約0.1倍充電電流，例如以RSET電阻為5KΩ去設定，V_(PRECHG)為輸出電流設定電壓為250mV，K_(SET)輸出電流設定係數為1,000，則預充的電流為50mA，以防止鋰電池在太低電壓下，使用一個大電流對鋰電池預充，造成鋰電池使用壽命的縮短。

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如圖3所示，虛線部分為鋰電池充電電壓上升的情形；實線部分為鋰電池充電電流在不同條件下變化的情況。一般AIC1790將其充電方式分為三個階段去保護。首先第一階段，電池電壓小於2.95V，即預充模式，維持小電流充電，目的在保護電池，防止瞬間的大電流造成電池化學能改變；第二階段，電池電壓介於2.95～4.2V之間，即恆流模式，系統提供最大的充電電流，對電池充電；第三階段，電池電壓大於4.2V，即恆壓模式，電流隨著充電過程逐步減小，當減小到0.1倍充電電流時，認為充電終止。

圖3　AIC1790鋰電池充電曲線

圖2的USB鋰電池充電應用電路，是為了防止鋰電池溫度過高或過低所設計電池的溫度感測電路，這一點AIC1790鋰電池IC已將其內建在內，開發人員只須依照公式3和公式4設定電阻，就可得到想要的保護溫度。其中公式的R_TH為最高溫度保護範圍的熱調節器(Thermistor)阻值；R_TL為最低溫度保護範圍的電熱調節器阻值，透過電熱調節器的溫度曲線，就可以知道所要設定溫度的阻值，再帶入公式3和公式4去求應用電路上的R_T1和R_T2。

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為確保鋰電池在正常溫度下工作，在此可把工作溫度設定在0～65℃之間，選用SEMITEC 103AT-2的電熱調節器，這時開發人員可透過R_T1和R_T2公式，求得適合的電阻為4.8kΩ與9.7kΩ。

拓寬PCB電路布線　鋰電池充電效率再進化

了解鋰電池充電的功能與應用電路上元件的選用，再將USB鋰電池充電電路實際製作如圖4的PCB應用電路圖。

圖4　USB鋰電池系統印刷電路板設計

在製作這個PCB電路設計技巧上，要將大電流迴路的元件先擺上，以利大電流迴路的布線為最短距離，同時布線要寬，以提升鋰電池充電電路的效率，且須將CIN電容接近於IC的VCC輸入端，以降低輸入端的雜訊；至於接地面的多個導孔並聯可有效降低PCB銅板上的電感與電阻性，而使整個接地面(Ground)具有完整性。

USB鋰電池充電系統架設完成後，須進行測試，測試上我們主要測試鋰電池在完全放電後，鋰電池模組電壓大約在3.5V左右的起始電壓，為何鋰電池模組沒辦法放電至更低的電壓？其實主要原因在於內部的電池保護電路，這個Battery Protection IC設定電壓低於3.5V時，就將內部開關Power MOS關掉，防止鋰電池過度放電，所以鋰電池模組就只能從3.5V開始充電。

放完電的鋰電池模組接上做好的鋰電池充電電路，電路接上HP 34970A數據開關收集器，量測鋰電池充電電路上的訊號10,000秒(約2.7小時)，將訊號數據放入Excel編輯做成圖表，可得到圖5充電量測訊號圖。由圖中可知，當電池接上的瞬間，電池電壓介於2.95～4.2V之間，所以USB鋰電池充電系統採用恆流模式(CC Mode)去充電，此時可發現VISET為公式1，為我們所預設的一個系統電流值；至於系統狀態的PG Pin被拉為Low，STATE1 Pin與STATE2 Pin分別為Low與High，所以我們可以知道充電瞬間PG/LED1會亮(ON)；STATE1/LED2與STATE2/LED3分別為亮(ON)與暗(OFF)。

圖5　USB鋰電池充電量測訊號

當VBT大於4.2V時，USB鋰電池充電系統進入恆壓模式(CV Mode)去充電，電流隨著充電過程的繼續逐步減小，當減小到0.1倍充電電流時，認為充電終止，此時可發現VISET為公式2，即我們所預設的一個系統電流值；至於系統狀態的PG Pin一樣被拉為Low，STATE1 Pin與STATE2 Pin分別為High與Low，所以可知道充電瞬間PG/LED1會亮(ON)；STATE1/LED2與STATE2/LED3分別為暗(OFF)與亮(ON)。

最後，再將USB鋰電池充電系統狀態稍做整理，各位開發人員即可清楚了解到實際充電的一個狀況，並且藉此設計一個簡單又便宜的鋰電池充電電路。

(本文作者為沛亨市場應用專案課長)