鋰離子電池保護(hù)電路的原理和特性要求

　　鋰電池最早出現(xiàn)的鋰電池來(lái)自于偉大的發(fā)明家愛(ài)迪生，使用以下反應(yīng)：Li+MnO2=LiMnO2該反應(yīng)為氧化還原反應(yīng)，放電。鋰電池大致可分為兩類：鋰金屬電池和鋰離子電池。具體有聚合物電池、鋰離子電池、方型鋰離子電池多種，下面我們具體來(lái)看看鋰離子電池。

　　鋰離子電池保護(hù)電路包括過(guò)度充電保護(hù)、過(guò)電流/短路保護(hù)和過(guò)放電保護(hù)，要求過(guò)充電保護(hù)高精密度、保護(hù)IC功耗低、高耐壓以及零伏可充電等特性。本文詳細(xì)介紹了這三種保護(hù)電路的原理、新功能和特性要求。

　　近年來(lái)，PDA、數(shù)字相機(jī)、手機(jī)、可攜式音訊設(shè)備和藍(lán)芽設(shè)備等越來(lái)越多的產(chǎn)品采用鋰電池作為主要電源。鋰電池具有體積小、能量密度高、無(wú)記憶效應(yīng)、循環(huán)壽命高、高電壓電池和自放電率低等優(yōu)點(diǎn)，與鎳鎘、鎳氫電池不太一樣，鋰電池必須考慮充電、放電時(shí)的安全性，以防止特性劣化。針對(duì)鋰電池的過(guò)充、過(guò)度放電、過(guò)電流及短路保護(hù)很重要，所以通常都會(huì)在電池包內(nèi)設(shè)計(jì)保護(hù)線路用以保護(hù)鋰電池。

　　由于鋰離子電池能量密度高，因此難以確保電池的安全性。在過(guò)度充電狀態(tài)下，電池溫度上升后能量將過(guò)剩，于是電解液分解而產(chǎn)生氣體，因內(nèi)壓上升而產(chǎn)生自燃或破裂的危險(xiǎn)；反之，在過(guò)度放電狀態(tài)下，電解液因分解導(dǎo)致電池特性及耐久性劣化，因而降低可充電次數(shù)。

　　鋰離子電池的保護(hù)電路就是要確保這樣的過(guò)度充電及放電狀態(tài)時(shí)的安全性，并防止特性劣化。鋰離子電池的保護(hù)電路是由保護(hù)IC及兩顆功率MOSFET所構(gòu)成，其中保護(hù)IC監(jiān)視電池電壓，當(dāng)有過(guò)度充電及放電狀態(tài)時(shí)切換到以外掛的功率MOSFET來(lái)保護(hù)電池，保護(hù)IC的功能有過(guò)度充電保護(hù)、過(guò)度放電保護(hù)和過(guò)電流/短路保護(hù)。

　　一、過(guò)度充電保護(hù)

　　過(guò)度充電保護(hù)IC的原理為：當(dāng)外部充電器對(duì)鋰電池充電時(shí)，為防止因溫度上升所導(dǎo)致的內(nèi)壓上升，需終止充電狀態(tài)。此時(shí)，保護(hù)IC需檢測(cè)電池電壓，當(dāng)?shù)竭_(dá)4.25V時(shí)（假設(shè)電池過(guò)充點(diǎn)為4.25V）即激活過(guò)度充電保護(hù)，將功率MOSFET由開轉(zhuǎn)為切斷，進(jìn)而截止充電。

　　另外，還必須注意因噪音所產(chǎn)生的過(guò)度充電檢出誤動(dòng)作，以免判定為過(guò)充保護(hù)。因此，需要設(shè)定延遲時(shí)間，并且延遲時(shí)間不能短于噪音的持續(xù)時(shí)間。

　　二、過(guò)度放電保護(hù)

　　在過(guò)度放電的情況下，電解液因分解而導(dǎo)致電池特性劣化，并造成充電次數(shù)的降低。采用鋰電池保護(hù)IC可以避免過(guò)度放電現(xiàn)象產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)電池保護(hù)功能。

　　過(guò)度放電保護(hù)IC原理：為了防止鋰電池的過(guò)度放電狀態(tài)，假設(shè)鋰電池接上負(fù)載，當(dāng)鋰電池電壓低于其過(guò)度放電電壓檢測(cè)點(diǎn)（假定為2.3V）時(shí)將激活過(guò)度放電保護(hù)，使功率MOSFET由開轉(zhuǎn)變?yōu)榍袛喽刂狗烹?，以避免電池過(guò)度放電現(xiàn)象產(chǎn)生，并將電池保持在低靜態(tài)電流的待機(jī)模式，此時(shí)的電流僅0.1μA.

　　當(dāng)鋰電池接上充電器，且此時(shí)鋰電池電壓高于過(guò)度放電電壓時(shí)，過(guò)度放電保護(hù)功能方可解除。另外，考慮到脈沖放電的情況，過(guò)放電檢測(cè)電路設(shè)有延遲時(shí)間以避免產(chǎn)生誤動(dòng)作。

　　三、過(guò)電流及短路電流

　　因?yàn)椴幻髟颍ǚ烹姇r(shí)或正負(fù)極遭金屬物誤觸）造成過(guò)電流或短路，為確保安全，必須使其立即停止放電。

　　過(guò)電流保護(hù)IC原理為，當(dāng)放電電流過(guò)大或短路情況產(chǎn)生時(shí)，保護(hù)IC將激活過(guò)（短路）電流保護(hù)，此時(shí)過(guò)電流的檢測(cè)是將功率MOSFET的Rds（on） 當(dāng)成感應(yīng)阻抗用以監(jiān)測(cè)其電壓的下降情形，如果比所定的過(guò)電流檢測(cè)電壓還高則停止放電，運(yùn)算公式為：

　　V- = I × Rds（on） × 2（V- 為過(guò)電流檢測(cè)電壓，I 為放電電流）

　　假設(shè) V- = 0.2V，Rds（on） = 25mΩ，則保護(hù)電流的大小為 I = 4A

　　同樣地，過(guò)電流檢測(cè)也必須設(shè)有延遲時(shí)間以防有突發(fā)電流流入時(shí)產(chǎn)生誤動(dòng)作。

　　通常在過(guò)電流產(chǎn)生后，若能去除過(guò)電流因素（例如馬上與負(fù)載脫離），將會(huì)恢復(fù)其正常狀態(tài)，可以再進(jìn)行正常的充放電動(dòng)作。

　　四、鋰電池保護(hù)IC的新功能

　　除了上述的鋰電池保護(hù)IC功能之外，下面這些新的功能同樣值得關(guān)注：

　　1.充電時(shí)的過(guò)電流保護(hù)

　　當(dāng)連接充電器進(jìn)行充電時(shí)突然產(chǎn)生過(guò)電流（如充電器損壞），電路立即進(jìn)行過(guò)電流檢測(cè)，此時(shí)Cout將由高轉(zhuǎn)為低，功率MOSFET由開轉(zhuǎn)為切斷，實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。

　　V- = I × Rds（on） × 2

　?。↖ 是充電電流；Vdet4，過(guò)電流檢測(cè)電壓，Vdet4 為 -0.1V）

　　2.過(guò)度充電時(shí)的鎖定模式

　　通常保護(hù)IC在過(guò)度充電保護(hù)時(shí)將經(jīng)過(guò)一段延遲時(shí)間，然后就會(huì)將功率MOSFET切斷以達(dá)到保護(hù)的目的，當(dāng)鋰電池電壓一直下降到解除點(diǎn)（過(guò)度充電滯后電壓）時(shí)就會(huì)恢復(fù)，此時(shí)又會(huì)繼續(xù)充電→保護(hù)→放電→充電→放電。這種狀態(tài)的安全性問(wèn)題將無(wú)法獲得有效解決，鋰電池將一直重復(fù)著充電→放電→充電→放電的動(dòng)作，功率MOSFET的柵極將反復(fù)地處于高低電壓交替狀態(tài)，這樣可能會(huì)使MOSFET變熱，還會(huì)降低電池壽命，因此鎖定模式很重要。假如鋰電保護(hù)電路在檢測(cè)到過(guò)度充電保護(hù)時(shí)有鎖定模式，MOSFET將不會(huì)變熱，且安全性相對(duì)提高很多。

　　在過(guò)度充電保護(hù)之后，只要充電器連接在電池包上，此時(shí)將進(jìn)入過(guò)充鎖定模式。此時(shí)，即使鋰電池電壓下降也不會(huì)產(chǎn)生再充電的情形，將充電器移除并連接負(fù)載即可恢復(fù)充放電的狀態(tài)。

　　3.減少保護(hù)電路組件尺寸

　　將過(guò)度充電和短路保護(hù)用的延遲電容器整合在到保護(hù)IC里面，以減少保護(hù)電路組件尺寸。

　　五、對(duì)保護(hù)IC性能的要求

　　1.過(guò)度充電保護(hù)的高精密度化

　　當(dāng)鋰離子電池有過(guò)度充電狀態(tài)時(shí)，為防止因溫度上升所導(dǎo)致的內(nèi)壓上升，須截止充電狀態(tài)。保護(hù)IC將檢測(cè)電池電壓，當(dāng)檢測(cè)到過(guò)度充電時(shí)，則過(guò)度充電檢測(cè)的功率MOSFET使之切斷而截止充電。此時(shí)應(yīng)注意的是過(guò)度充電的檢測(cè)電壓的高精密度化，在電池充電時(shí)，使電池充電到飽滿的狀態(tài)是使用者很關(guān)心的問(wèn)題，同時(shí)兼顧到安全性問(wèn)題，因此需要在達(dá)到容許電壓時(shí)截止充電狀態(tài)。要同時(shí)符合這兩個(gè)條件，必須有高精密度的檢測(cè)器，目前檢測(cè)器的精密度為25mV，該精密度將有待于進(jìn)一步提高。

　　2.降低保護(hù)IC的耗電

　　隨著使用時(shí)間的增加，已充過(guò)電的鋰離子電池電壓會(huì)逐漸降低，最后低到規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)值以下，此時(shí)就需要再度充電。若未充電而繼續(xù)使用，可能造成由于過(guò)度放電而使電池不能繼續(xù)使用。為防止過(guò)度放電，保護(hù)IC必須檢測(cè)電池電壓，一旦達(dá)到過(guò)度放電檢測(cè)電壓以下，就得使放電一方的功率MOSFET切斷而截止放電。但此時(shí)電池本身仍有自然放電及保護(hù)IC的消耗電流存在，因此需要使保護(hù)IC消耗的電流降到最低程度。

　　3.過(guò)電流/短路保護(hù)需有低檢測(cè)電壓及高精密度的要求

　　因不明原因?qū)е露搪窌r(shí)必須立即停止放電。過(guò)電流的檢測(cè)是以功率MOSFET的Rds（on）為感應(yīng)阻抗，以監(jiān)視其電壓的下降，此時(shí)的電壓若比過(guò)電流檢測(cè)電壓還高時(shí)即停止放電。為了使功率MOSFET的Rds（on）在充電電流與放電電流時(shí)有效應(yīng)用，需使該阻抗值盡量低，目前該阻抗約為20mΩ~30mΩ，這樣過(guò)電流檢測(cè)電壓就可較低。

　　4.耐高電壓

　　電池包與充電器連接時(shí)瞬間會(huì)有高壓產(chǎn)生，因此保護(hù)IC應(yīng)滿足耐高壓的要求。

　　5.低電池功耗

　　在保護(hù)狀態(tài)時(shí)，其靜態(tài)耗電流必須要小0.1μA.

　　6.零伏可充電

　　有些電池在存放的過(guò)程中可能因?yàn)榉盘没虿徽５脑驅(qū)е码妷旱偷?V，故保護(hù)IC需要在0V時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)充電。

　　六、保護(hù)IC發(fā)展展望

　　如前所述，未來(lái)保護(hù)IC將進(jìn)一步提高檢測(cè)電壓的精密度、降低保護(hù)IC的耗電流和提高誤動(dòng)作防止功能等，同時(shí)充電器連接端子的高耐壓也是研發(fā)的重點(diǎn)。 在封裝方面，目前已由SOT23-6逐漸轉(zhuǎn)向SON6封裝，將來(lái)還有CSP封裝，甚至出現(xiàn)COB產(chǎn)品用以滿足現(xiàn)在所強(qiáng)調(diào)的輕薄短小要求。

　　在功能方面，保護(hù)IC不需要整合所有的功能，可根據(jù)不同的鋰電池材料開發(fā)出單一保護(hù)IC，如只有過(guò)充保護(hù)或過(guò)放保護(hù)功能，這樣可以大幅減少成本及尺寸。

　　當(dāng)然，功能組件單晶體化是不變的目標(biāo)，如目前手機(jī)制造商都朝向?qū)⒈Ｗo(hù)IC、充電電路以及電源管理IC等周邊電路與邏輯IC構(gòu)成雙芯片的芯片組，但目前要使功率MOSFET的開路阻抗降低，難以與其它IC整合，即使以特殊技術(shù)制成單芯片，恐怕成本將會(huì)過(guò)高。因此，保護(hù)IC的單晶體化將需一段時(shí)間來(lái)解決。