Li - Ion電池具有大容量,長(zhǎng)壽命及輕薄特性,使得其為Notebook等攜帶型產(chǎn)品最佳的電池選擇,然而Li - Ion電池在安全設(shè)計(jì)上需防止過充電壓/電流,過放電壓/電流及短路等異?，F(xiàn)象,再加上Fuel Gauge在電池容量計(jì)量上扮演不可或缺的角色,故在Li - Ion電池模組內(nèi),需有Fuel Gauge及保護(hù)IC來做計(jì)量及安全上的維護(hù).在容量計(jì)量方面,如何得到最佳容量預(yù)測(cè)值,在Notebook電池管理是最重要且最須考量的.在保護(hù)機(jī)制部份,須防止因第一道(First)保護(hù)IC故障或MOSFET短路造成第二次過高壓,故第二道保護(hù)IC在未來設(shè)計(jì)上是不可或缺的最後防線,在設(shè)計(jì)組裝及驗(yàn)證特性上需謹(jǐn)慎小心.此篇文章在探討如何配合Fuel Gauge軟體應(yīng)用與第二道保護(hù)IC本身功能來設(shè)計(jì)出完善且安全的防護(hù)機(jī)制,另外探討Fuel gauge容量補(bǔ)償及Cell unbalance應(yīng)用線路,以MAX1780 + MAX1906為主題來應(yīng)用.

  
電池模組內(nèi)部架構(gòu)

在電池模組內(nèi),其有Fuel gauge、第一道保護(hù)IC(防過充/過放/短路)、第二道保護(hù)IC(防第二道過高壓)、Thermal Fuse、LED indicate、Thermistor等重要零件,請(qǐng)見以下圖1等效電池模組方塊圖(MAX1780為Fuel gauge加第一道保護(hù)IC,MAX1906為第二道保護(hù)IC).






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圖1．電池模組內(nèi)部架構(gòu)




  
使用MAX1780在Fuel gauge容量補(bǔ)償

MAX1780在容量補(bǔ)償上有非常完整的解決方案,其用以下所列各種lockup table及暫存器來補(bǔ)償容量:

1. Discharge efficiency LUT補(bǔ)償

MAX1780會(huì)在放電時(shí),時(shí)刻依據(jù)所處溫度,放電電流做放電效率容量補(bǔ)償.舉例來說,根據(jù)電池在不同放電電流及溫度的放電曲線,以一個(gè)4000mAh電池來說,在20℃ 0.2C(800mAh)所能放出容量最高,如果放出4000mAh,則以此放電容量設(shè)定為100﹪放電效率,若在0℃ 0.2C只能放出3600mAh容量,則此放電效率為3600 / 4000＝90﹪.所以在0.2C 800mAh放電一小時(shí)後,若在20℃放電,其剩餘容量為4000-800＝3200mAh,若在0℃下放電,則其正確容量為4000-(800÷0.9)＝3112mAh,如此類推,以放電效率使容量常保持一定的正確性.

2. First Voltage LUT

同樣根據(jù)放電曲線,以Remain Capacity剩餘容量某一特定容量(first voltage容量)與放電電流,溫度的關(guān)係式?jīng)Q定對(duì)應(yīng)的first voltage電壓.當(dāng)電池電壓到達(dá)first voltage時(shí),則剩餘容量更新為first voltage容量,若剩餘容量已到first voltage容量但電池電壓仍超過first voltage,則剩餘容量會(huì)保持不變直到電壓相等.First voltage同時(shí)會(huì)因使用次數(shù)cycle來補(bǔ)償,使其不會(huì)長(zhǎng)久使用而不準(zhǔn)確.

3. Self discharge LUT

因?yàn)閏ell自我放電會(huì)影響容量,且自我放電率與溫度,使用次數(shù)及當(dāng)時(shí)所處的容量有關(guān),故MAX1780使用lockup table來取得精準(zhǔn)的自我放電補(bǔ)償.

4. Compensation for Partial cycle

因?yàn)镹otebook大部份時(shí)間只在30~80﹪充放電,沒有很多機(jī)會(huì)到達(dá)fully charge及l(fā)ow battery condition來學(xué)習(xí)真正的容量,為了預(yù)防如此,MAX1780會(huì)在每次週期後,用RAR-CYS暫存器儲(chǔ)存的值來減剩餘容量RAM-CAP,使其容量不須經(jīng)battery learning也能保持一定的準(zhǔn)確度.MAX1780利用以上所列完整補(bǔ)償再加上Software可變性,使其在Fuel gauge設(shè)計(jì)上來符合各種需求,請(qǐng)見以下詳細(xì)容量演算方塊圖.

  
搭配MAX1780與MAX1906完成完善安全機(jī)制

MAX1906是個(gè)高精準(zhǔn)度,內(nèi)含F(xiàn)use driver的第二道保護(hù)器,其有二個(gè)驗(yàn)證功能:可驗(yàn)證保護(hù)特性及電池組裝是否安全.

在電池組裝安全驗(yàn)證部份,MAX1906會(huì)主動(dòng)測(cè)試是否有電池Disconnect情況在Sample mode時(shí)(不在Standby mode或Test mode時(shí)),MAX1906送10uA電流到每個(gè)B-P pin上,當(dāng)偵測(cè)到電池兩端電壓低於1.2V時(shí),MAX1906會(huì)將DISCON pull low到MAX1780 GPIO上(請(qǐng)見圖2MAX1780 pin47 IO6),MAX1780在收到此訊號(hào)後,可依測(cè)試者所需送SMBUS alert或顯示在LED上(LED全部閃礫或其他不同於容量顯示方式),如此一來可降低因組裝所造成的錯(cuò)誤.

在保護(hù)功能驗(yàn)證部份,MAX1906其最大功能在於電池第二段過高壓時(shí)(可能由MOSFET短路或第一道保護(hù)fail),由OUT迅速燒斷Fuse來保護(hù)電池,故此功能是最重要且不容IC有誤動(dòng)作或功能fail情況.測(cè)試者可在電池模組組裝完畢後,經(jīng)由SMBUS界面送special command使MAX1780認(rèn)知要做fuse break功能驗(yàn)證,MAX1780透過GPIO(請(qǐng)見圖2 MAX1780 pin40 IO8)將訊息送至MAX1906上,MAX1906會(huì)將second protect臨界電壓降低使Cell電壓達(dá)到過電壓點(diǎn),再由DISCON high impedance告知fuse break功能無誤到MAX1780,同樣MAX1780可依user定義送SMBUS signal或不同LED顯示方法來告知user.

一般業(yè)界常用的Fuel gauge及第二道保護(hù)IC,通常各司其職無法配合驗(yàn)證,故第二道保護(hù)功能一般只在PCB階段驗(yàn)證,在電池組裝時(shí)則無法驗(yàn)證IC是否動(dòng)作正?；蚪M裝不正確,但經(jīng)由MAX1906與MAX1780配合方式,將可使電池在功能及組裝測(cè)試無誤,可由以下圖2 MAX1906與MAX1780完整線路做更清楚的說明.








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圖2．MAX1780 + MAX1906完整線路



  
Cell unbalance偵測(cè)及解決安案

在某些情況下或電池過長(zhǎng)時(shí)間充放電後,每個(gè)電池內(nèi)部的阻抗(impedance)已經(jīng)不同,在充電時(shí)會(huì)造成某個(gè)Cell的電壓太高使過電壓保護(hù)動(dòng)作或放電時(shí)某個(gè)Cell電壓偏低使過低電壓保護(hù)動(dòng)作,如此久而久之也會(huì)使電池的壽命降低.故在電池模組設(shè)計(jì)上,越來越需要Cell unbalance偵測(cè)及防制電路.可由以下圖3表示詳細(xì)Cell unbalance線路,MAX1780利用四個(gè)GPIO再搭配Software控制,在cell unbalance判斷上,當(dāng)偵測(cè)某個(gè)Cell異常電壓時(shí)(Cell之間最高電壓與最低電壓差距10mV以上在無充放電時(shí)或低電流充電時(shí)),由GPIO去turn on外部P channel MOSFET,將充電電流做適當(dāng)分流,分流電流由限流電阻R來決定,使unbalance電池不致造成保護(hù)電路動(dòng)作,同時(shí)維持整體電池壽命.










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圖3．Cell unbalance線路



  
結(jié)論

由於Li - Ion應(yīng)用範(fàn)圍越來越廣,故針對(duì)內(nèi)部功能的要求及應(yīng)用相形之下也變得多樣化且複雜.MAX1780具有完善容量補(bǔ)償,其software可變性及擁有許多的GPIO,可符合如Cell unbalance、second Protect及cell組裝驗(yàn)證,搭配MAX1645A level 2 SMBUS charger在Desk Note應(yīng)用,pulse charge及CC / CV控制...等不同設(shè)計(jì)應(yīng)用所需,再搭配MAX1906擁有安全測(cè)試的第二道保護(hù)IC,是個(gè)Li - Ion電池模組設(shè)計(jì)最佳解決方案.