有關(guān)鋰電池保護(hù)IC的論述——鋰電池的守護(hù)神

近年來,PDA、DSC、Cellular Phone、Camcorder、Portable Audio、Advanced Game、Assist Bicycle、Electric Scooter、Bluetooth Device…越來越多的產(chǎn)品急速的采用鋰電池來當(dāng)做它的主要電源,不外乎其:體積小、能量密度高、無記憶效應(yīng)、循環(huán)壽命高、高電壓電池、自放電率低…等優(yōu)點(diǎn),也因?yàn)榕c鎳鎘、鎳氫電池不太一樣,所以必須考慮充電、放電時(shí)之安全,確保特性劣化的防止,但也因?yàn)槿绱?針對(duì)鋰電池的過充,過放,過電流及短路電流的保護(hù)更顯得重要,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,由此可見鋰電池保護(hù)IC的重要性。

鋰離子電池因能量密度高，使得難以確保電池的安全性。具體而言，在過度充電狀態(tài)下，電池溫度上升后能量將過剩，于是電解液分解而產(chǎn)生氣體，因內(nèi)壓上升而導(dǎo)致有發(fā)火或破裂的危機(jī)。反之，在過度放電狀態(tài)下，電解液因分解導(dǎo)致電池特性劣化及耐久性劣化(即充電次數(shù)降低)。

鋰離子電池的保護(hù)電路就是要確保這樣的過度充電及放電狀態(tài)時(shí)的安全性，并防止特性的劣化。鋰離子電池的保護(hù)電路是由保護(hù)IC、及兩顆Power-MOSFET所構(gòu)成。其中保護(hù)IC為監(jiān)視電池電壓；當(dāng)有過度充電及放電狀態(tài)時(shí)，則切換以外掛的Power-MOSFET來保護(hù)電池，保護(hù)IC的功能為: (1)過度充電保護(hù)、(2)過度放電保護(hù)、(3)過電流/短路保護(hù)。以下就這三項(xiàng)功能的保護(hù)動(dòng)作加以說明。

(1) 過度充電:

當(dāng)鋰電池發(fā)生過度充電時(shí),電池內(nèi)電解質(zhì)會(huì)被分解,使得溫度上升并產(chǎn)生氣體,使得壓力上升而可能引起自燃或爆裂的危機(jī),鋰電池保護(hù)IC用意就是要防止過充電的情形發(fā)生。

過度充電保護(hù)IC原理:

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,需終止充電狀況,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)電池過充點(diǎn)為4.25V)及激活過充電保護(hù),將Power MOS由ON'OFF,進(jìn)而截止充電。

另外,過充電檢出,因噪聲所產(chǎn)生的誤動(dòng)作也是必須要注意的,以免判定為過充保護(hù),因此需要延遲時(shí)間的設(shè)定,而delay time也不能短于噪聲的時(shí)間。

(2) 過度放電:

在過度放電的情形下,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,鋰電池保護(hù)IC用以保護(hù)其過放電的狀況發(fā)生, 達(dá)成保護(hù)動(dòng)作。

過度放電保護(hù)IC原理:

為了防止鋰電池過度放電之狀態(tài),假設(shè)鋰電池接上負(fù)載,當(dāng)鋰電池電壓低于其過放電電壓檢測(cè)點(diǎn)(假設(shè)設(shè)定為2.3V),將激活過放電保護(hù),將Power MOS由ON'OFF,進(jìn)而截止放電,達(dá)成保護(hù)以避免電池過放電現(xiàn)象發(fā)生, 并將電池保持在低靜態(tài)電流的狀態(tài)(standby mode),此時(shí)耗電為0.1uA

當(dāng)鋰電池接上充電器,且此時(shí)鋰電池電壓高于過放電電壓時(shí),過放電保護(hù)功能方可解除。

另外,為了對(duì)于脈沖放電之情形,過放偵測(cè)設(shè)有延遲時(shí)間用以預(yù)防此種誤動(dòng)作的發(fā)生。

(3) 過電流及短路電流:

因?yàn)椴幻髟?放電時(shí)或正負(fù)極遭金屬物誤觸)造成過電流或短路電流發(fā)生,為確保安全,使其停止放電。

電流保護(hù)IC原理:

當(dāng)放電電流過大或短路情況發(fā)生時(shí),保護(hù)IC將激活過(短路)電流保護(hù),此時(shí)過電流的檢測(cè)是將Power MOS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,若比所定的過電流檢測(cè)電壓還高則停止放電,
公式為:

V-(過電流檢測(cè)電壓)=I(放電電流)*Rds(on)*2

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

同樣的,過電流檢出也必須要設(shè)有延遲時(shí)間以防有突然的電流流入時(shí),會(huì)發(fā)生誤動(dòng)作,使其發(fā)生保護(hù)的誤動(dòng)作。

通常在過電流發(fā)生后,若能移除過電流之因素(例如:馬上與負(fù)載脫離..),就會(huì)回復(fù)其正常狀態(tài),可以再實(shí)行正常的充放電動(dòng)作。

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,現(xiàn)在還有一些新的功能值得我們注意,以東瑞電子所獨(dú)家代理的"Ricoh"鋰電池保護(hù)IC為例---R5426

(1) 充電時(shí),過電流之保護(hù):

當(dāng)連接充電器在充電時(shí)突然有過電流發(fā)生(充電器損壞),即發(fā)生充電時(shí)過電流檢測(cè),此時(shí)將Cout將由High'Low,Power MOS由ON'OFF,達(dá)成保護(hù)之動(dòng)作.

V-(Vdet4過電流檢測(cè)電壓)=I(充電電流)*Rds(on)*2

注:Vdet4為-0.1V

(2) 縮短測(cè)試時(shí)間:

假設(shè)測(cè)完一片PCB所需要花的時(shí)間為1秒,那100萬片則需要100萬秒,非常的耗時(shí),同樣的也很沒有效率,故我們可以利用以下之功能來縮短測(cè)試時(shí)間.

(A) 當(dāng)我們將R5426之DS pin open時(shí),此時(shí)delay time為規(guī)格書上所示

(B) 當(dāng)我們將R5426之DS pin接VDD時(shí),此時(shí)delay time將只有1/90.

(C) 當(dāng)我們將R5426之DS pin接Vim(min=1.2V,max=VDD-1.1V),此時(shí)將可忽略delay time

(3) 過充時(shí)鎖住模式(Latch):

通常保護(hù)IC在過充電保護(hù)時(shí)經(jīng)過一段延遲時(shí)間之后就會(huì)將Power MOS關(guān)掉(Cout),用以達(dá)到保護(hù)的目的,當(dāng)鋰電池電壓一直下降到解除點(diǎn)(Overcharge Hysteresis Voltage)時(shí)就會(huì)回復(fù),此時(shí)又會(huì)繼續(xù)的充電,又保護(hù),又放電充電放電,這種情形并不是一種很好的狀況且安全性的問題將無法有效的獲得解決.

鋰電池一直重復(fù)著做著充電放電充電放電的動(dòng)作, Power MOS的Gate將反復(fù)的High/Low,這樣可能會(huì)使MOSFET變熱.,也同時(shí)對(duì)于電池的壽命造成引想,由此可知Latch Mode的重要性。

假如鋰電時(shí)保護(hù)電路在偵測(cè)到過充電保護(hù)時(shí)有Latch Mode,MOSFET將不會(huì)變熱,且安全性相對(duì)的提高許多.
在偵測(cè)到過充電保護(hù)之后,只要有連接充電器在電池包上,此時(shí)之狀態(tài)及到達(dá)過充時(shí)鎖住模式,因此,雖然鋰電池的電壓一值下降,但不會(huì)發(fā)生再充電的情形.要解除這個(gè)狀況,只要將充電器移除并連接負(fù)載即可回復(fù)充放電的狀態(tài)。

(4) 縮小保護(hù)電路組件:

將過充電和短路保護(hù)用的延遲電容給內(nèi)包到保護(hù)IC里面

保護(hù)IC的要求:

(A) 過度充電保護(hù)的高精化:

當(dāng)鋰離子電池有過度充電狀態(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)。此保護(hù)IC即檢視電池電壓，當(dāng)偵測(cè)到過度充電時(shí)，則過度充電偵測(cè)的Power-MOSFET使之OFF而截止充電。此時(shí)所應(yīng)注意者，就是過度充電的檢測(cè)電壓的高精度化，在電池充電時(shí)，使電池充電到飽滿的狀態(tài)是使用者很在意的問題，同時(shí)，兼顧到安全性的問題，就得在達(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，就要有非常高精度的偵測(cè)器，目前精度為25mV，但將來勢(shì)需有更精度的要求。

(B) 減低保護(hù)IC的耗電流達(dá)到過度放電保護(hù)目的:

已充過電的鋰離子電池電隨著使用時(shí)間，電池電壓會(huì)漸減，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)使用的話，恐就無法再充電了(過放電狀態(tài))。而為防止過放電狀態(tài)，保護(hù)IC即要偵測(cè)電池電壓的狀態(tài)，一旦到達(dá)過放電偵測(cè)電壓以下，就得使放電一方的Power-MOSFET OFF而截止放電。但此時(shí)電池本身仍有自然放電及保護(hù)IC的消費(fèi)電流存在，因此需要使保護(hù)IC的耗電流降到最低的程度。

(C) 過電流/短路保護(hù)需有低偵測(cè)電壓及高精度的要求:

因不明原因?qū)е露搪范写箅娏骱膿p時(shí)，為確保安全而使之停止放電。在過電流的偵測(cè)是以Power MOS的Rds(on)為感應(yīng)阻抗，以監(jiān)視其電壓的下降，此時(shí)的電壓若比過電流偵測(cè)電壓還高時(shí)即停止放電。為了使Power MOS的Rds(on)在充電電流與放電電流時(shí)有效的應(yīng)用，需使該阻抗值盡量低，(目前約20mΩ ~30mΩ )。如此，過電流偵測(cè)電壓就可較低。

(D) 實(shí)現(xiàn)耐壓值:

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因具備有"耐高壓的要求(Ricoh的保護(hù)IC即可承受到28V)

(E) 低耗電:

當(dāng)?shù)竭_(dá)保護(hù)時(shí),其靜態(tài)耗電流必須要小(0.1uA)

(F) 零伏可充電:

有些電池在存放的過程中可能因?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也可以充電的動(dòng)作

保護(hù)IC功能未來發(fā)展

未來的發(fā)展將如前述，提高偵測(cè)電壓的精度、降低保護(hù)IC的耗電流及包裝、整合MOS 、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化也是開發(fā)的重點(diǎn)。

包裝方面,目前已由SOT23-6漸漸的朝向SON6,將來還有CSP的Package,甚至COB產(chǎn)品的出現(xiàn),用以滿足現(xiàn)在所強(qiáng)調(diào)的輕薄短小。

而保護(hù)IC也不是所有的功能都一定必須要用的,可根據(jù)不同的鋰電池材料開發(fā)出單一保護(hù)(如:只有過充保護(hù)或過放保護(hù)功能),可大大的減少成本及空間,這對(duì)我們來說可未嘗不是一件好事。

當(dāng)然，功能組件單晶化是一致的目標(biāo)，如目前行動(dòng)電話制造商都朝向?qū)⒈Ｗo(hù)IC、充電電路、電源管理IC等外圍電路集成單芯片，與邏輯IC構(gòu)成雙芯片的芯片組，但目前要使Power MOS的開路阻抗降低，難以與其它IC合組，即使以特殊技術(shù)制成單芯片，恐怕成本將會(huì)過高，因此，保護(hù)IC的單晶化將需一段時(shí)間來解決。