本文將探討鋰電池安全性、充電電池設計、安全監控，以及充電系統安全性等主要系統設計考量。

　　電池充電器IC角色關鍵

　　圖1顯示一般的電池充電系統，該系統輸入可以是交流電(AC)墻式轉接器供應的直流電(DC)電源，或通用序列匯流排(USB)介面供應的DC電源。一般的電池充電系統包括充電前端(CFE)、電池充電器及電池組。CFE防護積體電路(IC)整合輸入過壓、過流及電池過壓等防護機制，能夠提高電池供電系統的安全性。電池充電器IC可調節電池充電電壓及電流，并監控電池溫度，以延長電池使用壽命，并提高安全性。了解鋰電池特性，對于設計更安全的充電系統而言相當重要。

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　　圖1 一般的電池充電系統

　　鋰電池安全性不可忽視

　　由于鋰電池采用活性極高的材料，因此必須注意運作溫度過高會加速電池衰減，導致熱失控，甚至使鋰電池爆裂的問題。如果電池在高電流下過度充電或發生短路，就會出現快速升溫的現象。

　　鋰電池過度充電時，活性金屬鋰就會沉積在正極上，這種材料會大幅提高火災發生機率，因為只要接觸電解液和負極材料就會爆裂。例如，鋰/碳嵌入化合物遇水會發生化學反應，而反應產生的高溫可點燃釋放的氫氣。

　　對于4.3伏特(V)電池電壓而言，氧化鋰鈷(LiCoO2)等負極材料在溫度超過熱失控臨界值175℃時，就會與電解液發生反應(圖2)。鋰電池采用聚烯烴(Polyolefin)等多微孔薄膜(Micro-porous Film)將正負電極加以電隔離。這些電極可達到絕佳的機械屬性與化學穩定性，且價格合理。聚烯烴的熔點較低，介于135～165℃之間，可作為溫度保險絲。隨著溫度接近聚合物的熔點，便不再具有滲透性(Porosity)，在鋰離子不再于電極之間流動時關閉電池。

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　　圖2 電池熱失控

　　此外，正向溫度系數(PTC)裝置和安全出口(Vent)能提供額外防護，一般而言，負極終端外殼通常采用鍍鎳鋼鐵。外殼封閉后，金屬粒子會污染電池內部。這些粒子會隨著時間進入分離器，導致電池正負極兩側之間的絕緣層衰減，這會造成正負極之間的微小短路，使電子自由流動，最終導致電池故障。這種故障通常只會導致電池電量耗盡，無法正常運作。在極罕見情況下，電池會出現過熱、融化、起火甚至爆裂等現象。

　　安全電池充電器設計三部曲

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　　圖3顯示常用的鋰電池充電配置，鋰電池充電包括三個階段，首先是預先充電，接著是快速充電穩定電流(CC)，最后是穩定電壓(CV)。在預先充電中，電池以低速率充電。電池電壓低于3.0伏特時，充電速率通常是快速充電速率的十分之一。鈍化層在深度放電狀態下，長期沉積后可能溶解，便可逐漸恢復。此外，過度放電的陽極短路電池上出現部分銅分解時，預先充電可防止在1℃充電速率(可在1個小時內使電池完全放電的電流)下出現過熱狀況。

　　圖3 鋰電池充電配置

　　預先充電安全計時器，可避免電量耗盡的電池長時間充電。一般而言，電池電壓達到3.0伏特，充電器就會進入CC階段。快速充電電流通常限定在0.5～1℃之間，以避免過熱導致電池加速衰減。速率必須慎選，確保電池溫度不超過45℃，以快速充電速率進行電池充電，直至電壓達到調節限度(對于LiCoO2的陰極通常是每顆電池4.2伏特)為止。充電器開始調節電池電壓并進入CV階段，此時充電電流會等比下降至預先定義的終止程度，結束電池充電。

　　對于電池使用壽命及安全性而言，電池充電電壓的準確性相當重要。更高的電池充電電壓可提高充電容量，但是會縮短電池使用壽命，如圖4所示。對于±2.5%容差的電池充電電壓而言，充電電壓可能會達到4.3伏特，這會導致熱失控及安全性問題。為避免電池高溫充電，并提高安全性，充電器IC必須監控電池組的溫度。只有在電池溫度維持在安全范圍內(0～45℃)時，電池才能充電，電池組通常會利用電熱調節器讓溫度達到安全范圍。此外，通常須要快速充電安全計時器，避免電量耗盡的電池長時間充電。一旦經過安全時間，即便電池未達到充電終止電流狀態，電池充電器也必須結束充電。

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　　圖4 LiCoO2陰極鋰電池的充電電壓與使用壽命之間的關系

　　使用高度整合式線性電池充電器為單顆鋰電池充電相當普遍，因為這類充電器符合可攜式裝置的設計簡化、低成本及小體積尺寸等需求。其中的設計難題，在于使電池充電器維持在安全溫度運作范圍內，同時盡可能降低產生的熱量。最新開發的電池充電器具備散熱調節功能，能夠達到最高的充電速率，并且盡可能縮短充電時間，同時解決散熱問題。

　　線性充電器只是將轉接器的DC電壓調降至電池電壓的程度。線性充電器的功耗計算如下：

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　　充電器從預先充電轉換為快速充電模式，且達最高功耗時，輸入電壓與電池電壓間的差異便相當大。例如，若使用5伏特轉接器為1,200毫安培小時(mAh)鋰電池充電，當充電電流為1安培(A)且電池電壓為3.2伏特時，最大功耗即為1.8瓦(W)。對于熱阻抗為47℃/瓦的3毫米×3毫米四方形平面無接腳封裝(QFN)，功耗會造成溫度升高85℃。接點溫度會超過允許的操作溫度上限(45℃環境溫度下為125℃)。確保良好的散熱設計在開始充電時，將接點溫度維持在安全范圍內，是一項相當困難的工作。在充電過程中，隨著電池電壓升高，功耗也會逐漸下降。

　　散熱調節回路可避免充電器過熱

　　如何確保充電器維持在安全溫度運作范圍內，并提升散熱設計是一大挑戰，較進階的電池充電器采用散熱調節回路避免充電器過熱。內部晶片溫度達到預先定義的溫度臨界值時，如110℃，后續的IC溫度提高，都會減少充電電流，如此即可限制功耗，提升充電器的過熱防護。導致IC接點溫度達散熱調節程度的最大功耗，取決于印刷電路板(PCB)配置、散熱通孔數及環境溫度(圖5)。

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　　圖5 電池充電器的一般應用電路

　　散熱回路運作時，充電電流會達到充電終止臨界值，這會導致錯誤終止充電，因為散熱調節功能通常是在快速充電的早期階段啟動。為避免錯誤終止充電，只要散熱調節回路處于運作狀態，就不會使電池充電終止。此外，有效充電電流也會減少，使電池充電時間增加，因此，固定式安全計時器可能導致充電安全計時器錯誤終止。先進的電池充電器采用可自動減速時脈頻率的動態安全計時器，動態計時器控制電路可有效延長安全計時器持續時間，大幅降低安全計時器因散熱調節引起的故障機率。

　　加入第二層過壓防護提高電池安全性

　　如何才能提高系統層級充電的安全性和可靠性呢?一般可采用許多不同的轉接器為可攜式裝置供電，但不同的制造商往往采用不同的電流規格，使得可攜式裝置的系統設計人員必須克服技術難題，在使用不同轉接器時滿足各種安全要求，其中的困難包括輸入過壓、輸入過流、電池過壓及反向輸入電壓，這些都會造成系統損壞。

　　轉接器熱插拔、轉接器錯誤、暫態或穩定狀態過壓等問題，都可能導致輸入過壓。當轉接器熱插入時，纜線電感與系統輸入解耦合電容之間的諧振會導致過壓。對于獨立式充電器而言，輸入過流可能不會造成問題，因為穩定電流模式會限制供應給輸出或電池的電流量。不過，對于系統輸入有直接電源路徑的先進電池充電器而言，在輸入過多電流時通常沒有任何防護。

　　長期以來，設計人員對于轉接器在電流限制模式下運作有些顧慮，希望可程式輸入電流限制電路能確保轉接器不進入此模式。鋰離子/鋰聚合物電池組在高溫下過度充電，可能會發生危險的燃燒狀況。過度充電的跡象就是電池電壓升高。愈來愈多制造商都在尋找可確保電池組安全性與規范的安全措施，若要提高電池安全性，可加入第二層過壓防護移除輸入電源，在偵測電池過壓時關閉CFE功率金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)即可。

　　圖6顯示一般系統層級CFE電路。高電壓防護CFE可將高輸入電壓與低壓充電器及系統相隔離，以免系統出現高電壓。整合所有安全功能，包括輸入電流限制與防護、輸入電壓防護及電池過壓防護。無論出現何種故障狀況，CFE都會關閉MOSFET進行適當防護，以提升整體系統安全性。

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　　圖6 一般的系統層級CFE電路

　　依據電池特性、充電器IC設計，以及系統層級安全考量，對設計更安全的電池充電系統相當重要，運用CFE、電池充電器IC及電池組的安全防護機制，充電系統可發揮更穩定的安全效能。完全整合式CFE可提高充電系統層級安全性，而更安全的電池充電器設計可延長電池使用壽命，并避免過度充電的危險。