兼具安全與效率考量的行動裝置電源設計

Li-Ion電池系統因材質特性，應用上需考量安全性，可透過電源管理IC保持電池最佳使用狀態。TI

近幾年PDA、智慧型手機、Tablet PC持續發燒，越來越多的行動裝置產品採行鋰電池作為主要電力來源，使用鋰電池或鋰聚合物電池的目的很明確，因為其具備體積小、高能量密度、無電池記憶效應、循環充放次數高、高電壓輸出、低自放電率...等優點，但也因為材質特性，讓使用鋰電池的行動裝置更需重視安全設計...

鋰電池與鎳鎘、鎳氫形式的電池系統，設計上有相當大的不同，一般行動3C裝置的電池系統，考量重點不外乎是裝置的充/放電安全性，另需確保電池使用壽命，尤其是針對鋰電池經常進行的充電操作方面，系統必須考量過充/過放/過電流/短路電流的保護設計。

多數的設計方式，會將簡易的保護電路設置於電池模組中，但隨電池模組設計的小型電路，畢竟其控制能力有限，一般也只能達到部分主動/被動保護效果。鋰電池最大的優勢是元件的能量密度相當高，但能量密度高同時也代表著元件的活性相當大，沒有適度限制、控制，可能令電池元件產生使用安全疑慮，這也是為什麼有些低價電池模組，為節省成本省略安全電路設計，產品使用中經常有發火、膨脹，甚至是爆炸的災情發生。

在安全性的考量上，鋰電池模組的反應是控制問題的關鍵，具體來說，在鋰電池模組過度充電狀態，電池元件溫度上升、能量呈現過剩，致使電解液出現分解而產生氣體，而鋰電池模組因為本身為密閉設計，因為內部壓力上升，繼而使鋰電池出現內壓過高導致爆裂或發火的不良狀態。另一種情況是讓鋰電池出現過度放電狀態，因為過度放電時，電解液會因為分解致使電池材質出現劣化、元件活性偏低，導致鋰電池模組本身的可充電次數降低。

電池保護機制解析

延續上述，鋰電池的保護設計電路，首要解決的問題即為過度充電或過度放電導致鋰電池損壞。一般而言，鋰電池的保護電路，多數是以保護IC、Power-MOSFET構成，保護IC的作用為監控鋰電池的當前電壓狀態，當鋰電池模組出現過充或過放電，則即時切換Power-MOSFET來進行鋰電池保護措施。

保護IC的基本功能，包括過度充電保護、過度放電保護、短路或過電流異常保護。在過度充電防護方面，保護IC必須在鋰電池發生過度充電情形時，及時得知狀態，避免電池內部的電解質異常使元件升溫、產生氣體，令鋰電池模組內部壓力上升引發自燃或爆裂。

過度充電保護的設計機制，簡言之為當外部充電器為鋰電池進行充電，為了防止溫升導致內壓提升，IC必須及時中斷充電程序；保護IC可隨時檢測電池電壓，當電壓達到過充的臨界點時，啟動過充電的保護機制，利用Power-MOSFET遏止鋰電池繼續充電。電子電路多半會有數位或類比噪訊出現，在安全機制的設計上，也必須能分辨電子噪訊與真實的充電警訊，避免判讀錯誤造成錯誤的過充保護機制啟動，影響正常充電程序。

另在過度放電問題偵測與改善方面，為了避免鋰電池因過度放電，致使電解液分解導致元件劣化，甚至影響可充電的次數與電池壽命，鋰電池同時與負載接續，當保護IC檢測到鋰電池低放電電壓臨界點，保護IC即啟動過放電保護，控制Power-MOSFET進入截止放電狀態，同時讓電池模組處於超低靜態電流(standby mode)狀態，而此保護狀態直至鋰電池模組接上充電器後，持續充電使鋰電池電壓高過放電電壓後，過放電的保護功能即解除。

而針對短路與過電流問題，這些異常狀態的成因，仍以不明原因居多，例如，電池模組的電極誤觸金屬，造成短路電流，此時保護IC為確保電池不致於故障，必須啟動停止鋰電池模組異常過放電的防護機制。一旦放電電流過大或出現接點短路現象時，保護IC應啟動過電流保護機制，同樣在過電流檢測進行時需搭配檢測頻次的延遲時間，以防止誤動作問題。

安全與效率兼具的電源管理

而實際的設計機制方面，會令電池模組在經過一段延遲時段後，確認達狀態安全使用區域時，才解除保護機制；然而，若在問題未改善的前提下，當電池模組在保護、不保護狀態中反覆切換，出現充電、斷電、又充電、又斷電這種反覆運行的狀況，以此類電源保護IC監控來改善安全問題，並無法得到好的使用體驗。

另外，鋰電池模組過度頻繁進行充電/放電，也會令Power-MOSFET持續運作，此將使Power-MOSFET產生高熱，而Power-MOSFET的溫度也會縮短電池壽命。在實際的設計中，多數用戶較在意的是鋰電池的蓄電力能否達到100%，而鋰電池模組預設有過度充電保護機制，可避免因為模組溫度上升、內壓上升，保護IC須截止充電的狀況。

而保護IC確認鋰電池電壓達過度充電狀態，Power-MOSFET會使之關閉線路，啟動截止充電機制，但過早啟動過充保護，對使用者來說並不是一個好現象，因為用戶需要盡可能蓄足電力，此時保護IC就必須在檢測電壓的精度上進行調整，俾能更準確地進行偵測與反饋，滿足電池充飽電力的應用要求。