Li - Ion電池具有大容量,長壽命及輕薄特性,使得其為Notebook等攜帶型產品最佳的電池選擇,然而Li - Ion電池在安全設計上需防止過充電壓/電流,過放電壓/電流及短路等異常現象,再加上Fuel Gauge在電池容量計量上扮演不可或缺的角色,故在Li - Ion電池模組內,需有Fuel Gauge及保護IC來做計量及安全上的維護.在容量計量方面,如何得到最佳容量預測值,在Notebook電池管理是最重要且最須考量的.在保護機制部份,須防止因第一道(First)保護IC故障或MOSFET短路造成第二次過高壓,故第二道保護IC在未來設計上是不可或缺的最後防線,在設計組裝及驗證特性上需謹慎小心.此篇文章在探討如何配合Fuel Gauge軟體應用與第二道保護IC本身功能來設計出完善且安全的防護機制,另外探討Fuel gauge容量補償及Cell unbalance應用線路,以MAX1780 + MAX1906為主題來應用.
電池模組內部架構
在電池模組內,其有Fuel gauge、第一道保護IC(防過充/過放/短路)、第二道保護IC(防第二道過高壓)、Thermal Fuse、LED indicate、Thermistor等重要零件,請見以下圖1等效電池模組方塊圖(MAX1780為Fuel gauge加第一道保護IC,MAX1906為第二道保護IC).
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圖1．電池模組內部架構
使用MAX1780在Fuel gauge容量補償
MAX1780在容量補償上有非常完整的解決方案,其用以下所列各種lockup table及暫存器來補償容量:
1. Discharge efficiency LUT補償
MAX1780會在放電時,時刻依據所處溫度,放電電流做放電效率容量補償.舉例來說,根據電池在不同放電電流及溫度的放電曲線,以一個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,溫度的關係式決定對應的first voltage電壓.當電池電壓到達first voltage時,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,則剩餘容量會保持不變直到電壓相等.First voltage同時會因使用次數cycle來補償,使其不會長久使用而不準確.
3. Self discharge LUT
因為cell自我放電會影響容量,且自我放電率與溫度,使用次數及當時所處的容量有關,故MAX1780使用lockup table來取得精準的自我放電補償.
4. Compensation for Partial cycle
因為Notebook大部份時間只在30~80﹪充放電,沒有很多機會到達fully charge及low battery condition來學習真正的容量,為了預防如此,MAX1780會在每次週期後,用RAR-CYS暫存器儲存的值來減剩餘容量RAM-CAP,使其容量不須經battery learning也能保持一定的準確度.MAX1780利用以上所列完整補償再加上Software可變性,使其在Fuel gauge設計上來符合各種需求,請見以下詳細容量演算方塊圖.
搭配MAX1780與MAX1906完成完善安全機制
MAX1906是個高精準度,內含Fuse driver的第二道保護器,其有二個驗證功能:可驗證保護特性及電池組裝是否安全.
在電池組裝安全驗證部份,MAX1906會主動測試是否有電池Disconnect情況在Sample mode時(不在Standby mode或Test mode時),MAX1906送10uA電流到每個B-P pin上,當偵測到電池兩端電壓低於1.2V時,MAX1906會將DISCON pull low到MAX1780 GPIO上(請見圖2MAX1780 pin47 IO6),MAX1780在收到此訊號後,可依測試者所需送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誤.
在保護功能驗證部份,MAX1906其最大功能在於電池第二段過高壓時(可能由MOSFET短路或第一道保護fail),由OUT迅速燒斷Fuse來保護電池,故此功能是最重要且不容IC有誤動作或功能fail情況.測試者可在電池模組組裝完畢後,經由SMBUS界面送special command使MAX1780認知要做fuse break功能驗證,MAX1780透過GPIO(請見圖2 MAX1780 pin40 IO8)將訊息送至MAX1906上,MAX1906會將second protect臨界電壓降低使Cell電壓達到過電壓點,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.
一般業界常用的Fuel gauge及第二道保護IC,通常各司其職無法配合驗證,故第二道保護功能一般只在PCB階段驗證,在電池組裝時則無法驗證IC是否動作正常或組裝不正確,但經由MAX1906與MAX1780配合方式,將可使電池在功能及組裝測試無誤,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偵測及解決安案
在某些情況下或電池過長時間充放電後,每個電池內部的阻抗(impedance)已經不同,在充電時會造成某個Cell的電壓太高使過電壓保護動作或放電時某個Cell電壓偏低使過低電壓保護動作,如此久而久之也會使電池的壽命降低.故在電池模組設計上,越來越需要Cell unbalance偵測及防制電路.可由以下圖3表示詳細Cell unbalance線路,MAX1780利用四個GPIO再搭配Software控制,在cell unbalance判斷上,當偵測某個Cell異常電壓時(Cell之間最高電壓與最低電壓差距10mV以上在無充放電時或低電流充電時),由GPIO去turn on外部P channel MOSFET,將充電電流做適當分流,分流電流由限流電阻R來決定,使unbalance電池不致造成保護電路動作,同時維持整體電池壽命.
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圖3．Cell unbalance線路
結論
由於Li - Ion應用範圍越來越廣,故針對內部功能的要求及應用相形之下也變得多樣化且複雜.MAX1780具有完善容量補償,其software可變性及擁有許多的GPIO,可符合如Cell unbalance、second Protect及cell組裝驗證,搭配MAX1645A level 2 SMBUS charger在Desk Note應用,pulse charge及CC / CV控制...等不同設計應用所需,再搭配MAX1906擁有安全測試的第二道保護IC,是個Li - Ion電池模組設計最佳解決方案.
