鋰電池回收事件頻傳　手機電池電源管理話題增溫

今年8月中旬，手機龍頭大廠諾基亞(Nokia)芬蘭總部宣布回收四千六百萬顆問題手機電池，引起市場一陣嘩然，雖然僅是電池充電時因短路所造成的過熱問題，並未傳出嚴重傷害，卻也讓手機等電池供電的可攜式電子產品製造商，開始以更積極的態度正視電池設計與電池電源管理等問題。  

除諾基亞外，三洋(Sanyo)電機子公司亦在2006年12月於日本市場回收一百三十萬顆手機用充電電池；而更早之前，重量級筆記型電腦大廠戴爾(Dell)、聯想(Lenovo)、新力(Sony)、東芝(Toshiba)、蘋果(Apple)、宏碁等也都因電池問題而慘遭池魚之殃。甚至在事件落幕後，相關業者還因此而發起訂定電池供應規格標準的行動，積極避免類似事件再度重演。  

事實上，隨著半導體製程技術的進步，電子元件與產品功能的進展亦腳步飛快，惟電池技術的發展卻相對緩慢。也因此，在新聞事件發生後，如何更有效的進行電池監測、充電及放電管理，並充分善用每一分電力、延長使用壽命，便成為手機業者、電池製造商與半導體供應商必須面對的課題。  

以現今消費性電子產品或可攜式電子裝置來看，多半採用鋰電池來供電。鋰電池具有高能量密度、高功率密度、電容量大及無記憶效應等優點。但鋰電池系統所使用的耐高電壓有機溶劑具有可燃性，致使鋰電池在不當使用情況下，可能會產生危險，甚至引發爆炸，因此，電池保護設計就顯得格外重要。  

充電器前端保護IC提高手機充電安全性  

有鑑於此，德州儀器(Texas Instrument, TI)日前推出一系列充電器前端元件，可大幅增強手機和其他可攜式電子產品的充電安全保護功能。TI表示，此款BQ243xx系列的產品內建場效應電晶體(FET)，其首款晶片BQ24314能在充電器電路因故障而失效時，提供鋰電池額外的安全保護，並將故障情形通知主處理器，如OMAP產品系列的任何應用處理器，讓主處理器可採取相關復原動作。  

此款2毫米×2毫米的充電安全元件能防止系統因為電源突波、電源轉接器故障或使用錯誤的電源轉接器，而出現輸入電壓過載(OV)、電流過載(OC)或電池電壓過載等問題，確保掌上型產品擁有最佳的充電安全保護，降低產品意外故障率與客戶退貨率。  

TI亞洲區市場開發高效能類比產品資深市場行銷工程師何信龍指出，以往保護IC多半整合在電池包中，主要是測量電池電電與溫度，以進行一次側(Primary Side)的保護，而此款BQ24314則是將保護IC置放於充電器前端電路(圖1)。

圖1　將保護IC置放於充電器前端電路，可提供更好的電池保護功能。

一般而言，鋰電池保護用IC須具備過電壓、過電流及電池電壓過載等基本功能。輸入電壓過載係由穩態或暫態電壓事件造成，如未關機就安裝或拆卸電源轉接器；使用無穩壓或錯誤的電源轉接器；或碰到負載暫態。這些事件會讓裝置的輸入電壓升高或發生突波現象，甚而造成主作業系統損壞。  

輸入電流過載的問題，通常發生在整合電源管理元件內含充電電路時，因為充電電路會將輸入電源直接連到系統電源匯流排而導致過電流的發生，因此諸如BQ24314等保護IC便透過可程式能力，來感測和控制內建的MOSFET以提供輸入電流限制，確保系統不會從電源轉接器汲取過多電流。  

至於電池電壓過載保護，主要是因為單顆鋰離子或鋰聚合物電池的浮充電壓(Float Voltage)通常在4.2伏特左右，若過度充電造成電池電壓高於浮充電壓，就很容易發生危險。因此對保護IC而言，若可監控電池電壓，並在輸入電壓過載時切斷輸入充電電源，即可讓系統獲得另一層安全保障。  

另一方面，為使智慧型手機和其他可攜式電子產品使用者更清楚掌握電池使用時間，電池計量元件(Fuel Gauge)亦是半導體業者競相推出的解決方案，包括英特矽爾(Intersil)、凌力爾特(Linear Technology)、Maxim與TI均有相關產品問世。  

電池計量元件　讓單電池使用更聰明  

由於鋰電池使用壽命長短受非常多參數影響，且當電池使用次數增加其待機時間亦相對縮短，因此電池計量元件即是幫助手機使用者能像筆記型電腦一樣隨時了解電池壽命狀態。  

然而，要測量出電池所剩能量並非易事，而要將電池容量轉換成使用者能了解的時間資訊，更須精準掌握容量、充/放電值，同時也要考量溫度、使用次數等其他因素，才能完成轉換計算。  

現今手機的設計方式是將電池能量畫分成四等分或五等分，透過測量電池電壓來猜測電池所剩電力，這種做法通常利用不太可靠的靜態模型來補償放電率、溫度和電池老化等誤差，因此隨著時間增長，電池逐漸老化後，精確度即大幅下降，造成使用者的不便。  

此外，以往電池計量元件多是置放在電池包中搭配使用且須與電池芯廠合作才能取得更精確的補償參數，而今已有手機業者為進一步降低整體成本，希望將電池計量元件整合至系統端，但對現今的電池計量產品而言，尚無法達到此一要求。  

為因應市場需求，半導體業者開始推出可同時放置在電池包與系統端的電池計量元，並透過更精準的測量技術，提供手機消費者更滿意的使用經驗，如TI近期推出的BQ27500即採用該公司Impedance Track專利技術所設計出的電池計量元件，可用於電池端或系統端，精確度高達99%。  

所謂Impedance Track，顧名思義是以阻抗為測量基準，藉由分析電池電壓與阻抗之間關係以求得精確的充電狀態，然後根據電流積分結果和預估放電曲線來計算剩餘電力。而有別於一般靜態量測方式，該技術還會隨著阻抗的變化進行動態追蹤，誤差率小於1%，就算電池老化也能精確測量單顆鋰電池的資料。  

此外，BQ27500專用於主機系統電路板，並能支援嵌入式和可卸除式電池(圖2)。由於是在系統終端提供電池計量功能，因此手機等可攜式產品製造商不須在電池包中增加額外的電子零件，有助業者降低成本並持續縮小電池體積。

圖2　BQ27500可同時支援主系統的嵌入式設計和可卸除式電池包應用。

USB充電蔚為潮流驅動充電安全功能新需求  

值得一提的是，隨著現今愈來愈多可攜式產品導入USB充電功能，相關業者對於充電器的安全要求亦日益殷切。以中國大陸市場為例，其官方組織日前即宣布將統一手機的變壓器(Adapter)規格，亦即手機統一使用USB的A型接頭來連接到手機的充電器(圖3)，如此一來，可減輕以往不同手機使用不同變壓器所造成的環保問題，讓不同手機間可共用同一個變壓器與傳輸線，既環保又節省成本。

圖3　中國大陸計畫將以USB做為手機充電器的標準介面，讓不同手機可共用同一充電器。

新標準的誕生預料帶動售後市場對於具備安全功能的手機變壓器的需求，而利用充電器前端電路可提供系統層級的安全保護，包括輸入暫態過壓可高達30伏特，響應時間不到1微秒，可擁有更穩定的過壓狀態等。  

另一方面，如何加快USB充電速度亦是使用者相當關切的問題。一般而言，現今充電IC有線性(Linear)與切換式(Switch Mode)兩種型式，線性充電IC效率較差且有過熱問題，但由於以往是由牆式整流器輸入，因此即便效率很差，使用者也很難察覺。然而，若採USB充電，則轉換效率的好壞對充電時間的快慢將有顯著的影響，因此採用交換式充電IC將成大勢所趨。  

目前包括Linear、Maxim、Semtech與TI均已推出交換式的充電IC。以Linear的LTC4085 USB充電控制晶片為例，其具有PowerPath專利控制功能，可從USB或交流電配接器電源為系統負載供電，並對單節鋰離子/聚合物電池進行充電；此外，該晶片還內建了在交流電變壓器接取情況下，以高於USB規格容許值對電池進行充電的選項，可達到大幅度提升電池的充電速度。  

此外，TI也預計在今年第四季時推出一款高效率、3MHz切換式充電IC，可支援USB OTG功能，為USB充電應用產品提供僅2毫米×2毫米的超小型解決方案，以同時滿足智慧型手機等可攜式產品對體積及充電效率的要求。