預防過電流/熱失控　PPTC強化行動裝置鋰電池保護

2014-11-10

Barry Brents

儘管智慧型手機、平板電腦和智慧型手表(Smart Watch)等可攜式電子設備幫助我們提高生產力，不過由於這些具備電池的應用就佩戴或靠近我們身上，因此具有潛在的安全問題。

消費者除了期望新的可攜式設備能具備更多功能、電池續航時間更長，還希望電池充電能更快速。也就是說，為新型可攜式及電子產品供電的鋰離子電池，必須具備更高的能量密度才行。

為滿足消費者期待，可攜式電子產品採用的電池無論在尺寸或電流容量方面都改變得非常迅速。因此，電池應用設計人員的任務必須跟緊腳步了解不同電池外型尺寸的優勢和限制，以及如何處理現有的安全標準要求。

電池技術的演進受到行動電子產品小型化趨勢的直接影響。可攜式裝置越來越小，供電的電池芯和體積也跟著縮小，這也是促成可充電式的鋰離子電池迅速增加的原因。今日，工程師為設計出更小且更薄的可攜式產品，也必須將電池的體積、能量容量及安全要求考慮在內。

輕薄電子設備當紅　高容量Lip電池需求大增

比起以往的鎳鎘(NiCd)或鎳氫(NiMH)等電池技術，尤其在每公斤的焦耳能量的考量下，鋰離子電池具有更高的能量密度。由於鋰(Lithium)本身並不是一個非常穩定的元素，許多新的安全問題跟著該電池芯的採用而衍生，但這些問題，都能夠使用更複雜的保護電路獲得解決。

其中，鋰離子18650電池已經成為筆記型電腦常用的裝置。其形狀像圓柱狀，電池芯直徑18毫米(mm)、長度65毫米。一般筆記型電腦所用的電池組平均包含四到六個18650電池芯，可支援數小時的操作。

大約在十年前，鋰聚合物(Lithium-Polymer)，或稱LiP電池芯在消費性市場首次亮相，因為其薄而方形和可客製化的帶式形狀，受到設計人員的歡迎，被應用在需要節省空間、特別是超薄型的筆記型電腦、智慧型手機及平板電腦上。今日，LiP電池芯也被最新型大螢幕智慧型手機，又稱為Phablets所採用。

近來PC市場的趨勢是以輕薄型筆記電腦和平板電腦的外型尺寸搭配高階處理器，它必須在PC模式下執行複雜的程式，同時仍得提供平板模式的「快速啟動」(Instant On)功能。這些消費性設備的趨勢，以更大的放電電流驅動更大且更高容量的LiP電池需求，而這又會反過來對這些應用的電池保護裝置要求較高的電流額定值。

圖1　鋰離子或LiP電池芯中採用PolySwitch PPTC元件的傳統保護電路

電池芯溫度隨環境升高　PPTC免除過電流風險

使用鋰離子電池的電池組對因外部短路、失控的充電情況或過度充電等造成的故障特別敏感，很可能造成潛在的破壞性過電流及過熱情況。

圖2　方形的電池芯上的PPTC條帶裝置

為了消費者安全，UL、IEC和IEEE已經為鋰離子和LiP電池組強制執行規範，並且建立測試條件，要求其在短路電路和過充事件兩者之間的應變能力。(細節和準確的測試條件可以參考UL2054中的「標準的家用和商用電池」、IEEE 1725-2006「標準的可充電電池手機」、IEC/EN 60950和IEC 62133規格)。

此外，鋰電池還必須符合UL2054標準的限功率源(LPS)條款，該標準描述的LPS測試可用來決定電池芯或電池在可能發生火災危險的應用上是否適用。

零件製造商也必須將尺寸的問題考慮進去，因為他們一樣受到可攜式消費市場的小型化和薄型尺寸趨勢的影響，因此電路保護元件必須能提供可協助電池組設計人員解決需求的優勢，能導入安全且可靠產品，同時也要滿足應用產品的小型尺寸條件。

鋰電池組通常含有能夠檢測並實施過壓閉鎖、欠壓鎖定、過熱保護及過電流保護的積體電路(IC)，專門做為一級電池組保護的IC及金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)，和電池測量(Fuel Gauge)裝置共同追蹤電池芯容量、充電狀態(%)、剩餘可操作時間(分鐘)、電池電壓值(mV)及溫度。

圖3　在18650電池芯內的PPTC環狀圓盤裝置之擺放位置

目前市面上推出一款高分子正溫度係數(PPTC)元件，提供可重置且可節省空間以協助保護鋰離子電池的方案。雖然在應用上的半導體電路被認為是可靠的，但可能發生一級保護發生失效情況的條件也存在，例如過度的靜電放電(ESD)、高溫或短路時產生的振盪。

元件和電池串連後，當控制電路發生故障時，有助於提供二級保護。在這種情況下，該PPTC元件可在電池單元充放電時提供過熱保護，以及過電流保護。在電路裡加入新元件，其環境溫度會跟著電池芯的溫度升高而上升，通過的電流因而減少。

此外，新元件的低電阻有助於滿足電池組的電阻預備要求，其低跳閘溫度在發生過度充電時能防止熱失控。圖1顯示和半導體電路串聯以用於電池組電路保護的可重置PPTC元件。

廠商所推出的PPTC元件具備各種外型尺寸和電流額定值，元件系列包括多種材料的平台，可為工程師提供能滿足鋰電池保護需求廣泛的元件選擇。每一個系統提供不同的性能特點，以及溫度範圍從85～125℃的熱關斷(過熱啟動溫度)性能。

其「條帶」元件是由PTC材料製成的裸圓盤狀裝置(圖2)，可以放置在鋰離子方形或18650圓柱電池芯頂部，在裝運期間以及電池組組裝前的處理過程中，可協助保護電池芯，如圖3。該圓盤裝置也可以為AA和AAA級電池，以及單獨出售給消費者的非充電鋰電池等提供保護。

低電阻MHP具備熱啟動功能

為響應越來越廣為使用的高容量LiP電池芯，另一種類型的電路保護裝置出現，那就是具備過熱啟動的MHP裝置(金屬混合PPTC技術)，或稱MHP-TA裝置。該混合式的熱關斷(TCO)保護裝置將雙金屬斷路和PPTC結合在一起。此款業界所推出的MHP裝置提供9VDC額定值和比一般電池條帶裝置較高的電流額定值，以滿足高容量LiP和方形電池如圖4的安全要求。