鋰離子電池保護(hù)電路UCC3957

摘要：介紹了鋰離子電池保護(hù)電路UCC3957的特點(diǎn)及工作原理，并給出了3節(jié)或4節(jié)鋰離子電池組的應(yīng)用電路。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池；保護(hù)電路；過壓；欠壓；過充電；過放電；過流

Lithium? Ion Battery Protector Circuit UCC3957

YU Ming-hao

Abstract:The features and functions of lithium-ion battery protector circuit UCC3957 are introduced.The application circuits of the lithium-ion battery stack consisted of three or four cells are presented.

Keywords:Lithium? ion battery; Protector circuit; Overvoltage; Under voltage; Overcharge; Overdischarge; Overcurrent

1 引言

UCC3957是采用BiCMOS工藝的3、4節(jié)鋰離子電池組保護(hù)用IC。它與外部的P溝道MOSFET一起對(duì)電池組實(shí)施保護(hù)。使用外部P溝道MOSFET的優(yōu)點(diǎn)是，在電池組處于過放電狀態(tài)時(shí)，沒有接地?fù)p耗；而在過充電狀態(tài)時(shí)，可以保護(hù)電池組及UCC3957本身。

UCC3957的原理框圖如圖1所示。

圖1 UCC3957的原理框圖

由圖1可見，UCC3957內(nèi)部的狀態(tài)選擇器可不間斷地工作，當(dāng)持續(xù)工作時(shí)就可保護(hù)每一節(jié)鋰離子電池免于過充電和過放電。而另一個(gè)過流控制器則保護(hù)電池組不會(huì)產(chǎn)生過多的放電電流。

為配合不同廠家的鋰電池，UCC3957有4種不同的過壓保護(hù)門限，如表1所示。

表1 UCC3957-X的過壓保護(hù)值（V）

2 引腳功能

UCC3957的引腳如圖2所示。各引腳功能如下：

圖2 引腳圖

腳1 VDD 芯片電源端，輸入電壓范圍6.5～20V，與電池組的頂端連接；

腳2 CLCNT 用來設(shè)定芯片工作在三節(jié)或四節(jié)電池狀態(tài)下；

腳3 WU 當(dāng)芯片處于休眠狀態(tài)時(shí)，在此腳施加信號(hào)可喚醒芯片進(jìn)入正常工作狀態(tài)，此腳應(yīng)接到N溝道電平移動(dòng)MOSFET的漏極；

腳4 AN1 與第1節(jié)電池的負(fù)極及第2節(jié)正極相連；

腳5 AN2 與第2節(jié)電池的負(fù)極及第3節(jié)正極相連；

腳6 AN3 與第3節(jié)電池的負(fù)極及第4節(jié)正極相連，當(dāng)只有3電池時(shí)與電池組的底端及AN4相連；

腳7和11 AN4 當(dāng)有4節(jié)電池時(shí)與電池組的底端相連，同時(shí)和電流傳感電阻的頂端連接；

腳8 BATLO 與電池組的負(fù)端連接，同時(shí)和電流傳感電阻的底端相連接；

腳9 CHGEN 充電使能端，接高電平時(shí)電池組充電；

腳10 CDLY1 短路保護(hù)的延遲控制，在該腳與AN4腳間接電容，當(dāng)過流時(shí)控制放電MOSFET的關(guān)斷時(shí)間；

腳12 CHG 控制外部的N溝道MOSFET管，而該管則用來驅(qū)動(dòng)P溝道MOSFET管，如果有任一節(jié)電池電壓高于過壓閾值，則該腳被置低；只有所有單節(jié)電池電壓低于該閾值，則該腳置高；

腳13 DCHG 用于預(yù)防過放電。如芯片內(nèi)部的狀態(tài)檢測(cè)器判斷任一電池處于過放電狀態(tài)，則DCHG被置高以使外部放電P溝道MOSFET關(guān)斷，但當(dāng)所有電池的電壓高于最低門限時(shí)，DCHG被置低；

腳14 CDLY2 該腳與AN4接一電容，以延長(zhǎng)第二級(jí)過流保護(hù)的設(shè)定時(shí)間；

腳15 AVDD 內(nèi)部模擬電路電源，通過0.1μF電容與AN4相連，正常電壓為7.3V；

腳16 DVDD 內(nèi)部數(shù)字電路電源，通過0.1μF電容與AN4相連，正常電壓為7.3V。

3 工作原理

UCC3957可對(duì)3或4節(jié)鋰電池組提供防止電池過充電，過放電及過流等的全面保護(hù)，它對(duì)電池組內(nèi)的每一節(jié)電池電壓采樣并與內(nèi)部的精密基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。當(dāng)任一節(jié)電池處于過壓或欠壓狀態(tài)時(shí)，它就會(huì)采取適當(dāng)?shù)拇胧┓乐惯M(jìn)一步充電或放電。其外部有2個(gè)獨(dú)立的P溝道MOSFET，分別控制充電和放電電流。圖3為3節(jié)鋰電池的保護(hù)電路。

下面以圖3為例，講述UCC3957的應(yīng)用特點(diǎn)。

圖3 3節(jié)鋰電池保護(hù)電路

1）電池組的連接

電池組與IC連接要注意它的順序。電池組的底端連接到AN4，頂端連接到VDD，每?jī)晒?jié)電池的連接點(diǎn)按相應(yīng)順序連接到AN1、AN2、AN3。

2）選擇3或4節(jié)電池

當(dāng)電池組為3節(jié)電池時(shí)，CLCNT應(yīng)連到DVDD，同時(shí)將AN3與AN4連到一起，當(dāng)電池組為4節(jié)電池時(shí)，CLCNT接地（即連到AN4）

3）欠壓保護(hù)

當(dāng)檢測(cè)到任一節(jié)電池處于過放電時(shí)（低于欠壓閾值），狀態(tài)檢測(cè)器同時(shí)關(guān)斷2只P溝道MOSFET，UCC3957進(jìn)入休眠狀態(tài)，此時(shí)芯片的耗電僅為3.5μA，只有當(dāng)WU電壓升到VDD時(shí)，芯片檢測(cè)到后重充電從而退出休眠狀態(tài)。

4）充電

當(dāng)接入充電器時(shí)，CHGEN電壓被拉到DVDD，充電FET導(dǎo)通，電池組充電。而如果CHGEN開路或連到N4，則充電FET仍然關(guān)斷。

充電期間，如果芯片處于休眠狀態(tài)，則放電FET仍然關(guān)斷，充電電流流過放電FET的體二極管；直到每節(jié)電池的電壓高于欠壓閾值，則放電FET導(dǎo)通。休眠期間，充電FET處于周期性的導(dǎo)通和關(guān)斷方式，導(dǎo)通時(shí)間為7ms，關(guān)斷時(shí)間為10ms。

5）斷線保護(hù)

UCC3957具有內(nèi)部電池保護(hù)。如果內(nèi)部AN1，AN2或AN3斷線，芯片可檢測(cè)到并可預(yù)防電池組過壓。

6）過壓保護(hù)與智能放電特性

如果某一電池充電電壓超過正常過充電閾值，則充電FET關(guān)斷，以防止過充。關(guān)斷一直保持到該電池電壓降低到過充電閾值。在大多數(shù)保護(hù)設(shè)計(jì)中，在該過壓保護(hù)帶（正常值—過充電閾值，或反之，過充電閾值—正常值）之間，充電FET一直保持完全的關(guān)斷，此時(shí)放電電流必須通過充電FET的體二極管，該二極管的壓降高達(dá)1V，從而在充電FET內(nèi)產(chǎn)生極大的功耗，消耗寶貴的電池功率。

UCC3957具有智能放電特性，它可使充電FET對(duì)放電電流導(dǎo)通而仍然處于過壓回差之內(nèi)。這樣就大大減少了充電FET上的功耗。這一措施是通過采樣流經(jīng)傳感電阻上的電流的壓降來完成的。如果壓降超過15mV(0.025Ω?jìng)鞲须娮鑼?duì)應(yīng)0.6A的放電電流)，則充電FET再次導(dǎo)通。此例中，若20mW的FET，其體二極管壓降為1V，對(duì)應(yīng)為1A負(fù)載，則其功耗由1W降至0.02W。

7）過流保護(hù)

UCC3957采用二級(jí)過流保護(hù)模式保護(hù)電池組的過流和短路，當(dāng)電流傳感電阻(接在AN4與BATLO間)上的壓降超過某一閾值時(shí)，過流保護(hù)進(jìn)入間歇模式。在這一模式時(shí)，放電FET周期性地關(guān)斷與導(dǎo)通，直到故障排除。一旦故障排除，芯片自動(dòng)恢復(fù)常規(guī)工作。為了適應(yīng)大的電容負(fù)載，芯片有兩個(gè)過流閾值電壓，對(duì)應(yīng)每一閾值電壓可以設(shè)定不同的延遲時(shí)間。這種二級(jí)過流保護(hù)既可對(duì)短路提供快速的響應(yīng)，又可使電池組承受一定的浪涌電流。這樣可防止由于濾波電容較大而引起不必要的過流保護(hù)動(dòng)作。

第一級(jí)過流保護(hù)閾值為150mV，對(duì)應(yīng)0.025Ω的傳感電阻，電流為6A。如果峰值放電電流超過該值所設(shè)定的時(shí)間(由接在CDLY1和地之間的電容設(shè)定),芯片進(jìn)入間歇工作模式。間歇模式時(shí)的占空比約為6％，即關(guān)斷時(shí)間大約是導(dǎo)通時(shí)間的16倍。導(dǎo)通時(shí)間對(duì)電容值的關(guān)系曲線如圖4所示。

第二級(jí)過流閾值為375mV，對(duì)應(yīng)0.025Ω的傳感電阻，電流為15A。如果峰值放電電流超過該值所設(shè)定的時(shí)間(由接在CDLY2和地之間的電容設(shè)定)，芯片也進(jìn)入間歇工作模式，且占空比相當(dāng)?shù)停话阈∮?％。其關(guān)系曲線如圖5所示；而關(guān)斷時(shí)間仍然由接在CDLY1與地之間上的電容決定。如圖4所示。這一技術(shù)大大地降低了短路時(shí)FET上的功耗，從而降低了對(duì)FET的使用要求。

圖4 第一級(jí)過流延時(shí)時(shí)間tD與電容CCDLY1的關(guān)系曲線

圖5 第二級(jí)過流延時(shí)時(shí)間tD與電容CCDLY2的關(guān)系曲線

在圖3中，CDLY1=0.022μF時(shí)，則第一級(jí)過流（當(dāng)電流大于6A而小于15A時(shí)）導(dǎo)通時(shí)間為10ms，關(guān)斷時(shí)間為160ms，占空比為5.9％；當(dāng)電流超過15A時(shí)如果不用CDLY2，則第二級(jí)過流保護(hù)的占空比為0.1％；如果CDLY2為22pF時(shí)，則導(dǎo)通時(shí)間為800μs，占空比為0.5％。

4 應(yīng)用電路

一個(gè)應(yīng)用UCC3957的4節(jié)電池組保護(hù)電路如圖6所示。

圖6 4節(jié)鋰電池保護(hù)電路

圖6中，VR1和R2用于充電器開路充電電壓過高時(shí)，保護(hù)充電FET（Q1）。在該應(yīng)用電路中，短路時(shí)放電FET（Q2）關(guān)斷，由于電池組輸出的分布電感，這時(shí)的di/dt會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓的負(fù)突變；這一負(fù)突變會(huì)超過放電FET的耐壓值。圖中的D1對(duì)這一負(fù)突變箝位以保護(hù)放電FET，這一負(fù)突變也會(huì)損壞UCC3597，所以C5應(yīng)直接置于電池組的頂端和底端。

由于放電過流保護(hù)時(shí)，放電FET產(chǎn)生的負(fù)壓過充與di/dt的大小有關(guān)，而di/dt與放電FET的導(dǎo)通和關(guān)斷驅(qū)動(dòng)脈沖的上升、下降時(shí)間有關(guān)。故圖6中用R3、C6、R4來控制di/dt。