有關(guān)鋰電池保護(hù)IC的論述——鋰電池的守護(hù)神

近年來(lái),PDA、DSC、Cellular Phone、Camcorder、Portable Audio、Advanced Game、Assist Bicycle、Electric Scooter、Bluetooth Device…越來(lái)越多的產(chǎn)品急速的采用鋰電池來(lái)當(dāng)做它的主要電源,不外乎其: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、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(guò)充,過(guò)放,過(guò)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(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)壓上升而導(dǎo)致有發(fā)火或破裂的危機(jī)。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(guò)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(guò)度充電及放電狀態(tài)時(shí)，則切換以外掛的Power-MOSFET來(lái)保護(hù)電池，保護(hù)IC的功能為: (1)過(guò)度充電保護(hù)、(2)過(guò)度放電保護(hù)、(3)過(guò)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(shuō)明。

(1) 過(guò)度充電:

當(dāng)鋰電池發(fā)生過(guò)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(guò)充電的情形發(fā)生。

過(guò)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(guò)充點(diǎn)為4.25V)及激活過(guò)充電保護(hù),將Power MOS由ON'OFF,進(jìn)而截止充電。

另外,過(guò)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(guò)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(guò)度放電:

在過(guò)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(guò)放電的狀況發(fā)生, 達(dá)成保護(hù)動(dòng)作。

過(guò)度放電保護(hù)IC原理:

為了防止鋰電池過(guò)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(guò)放電電壓檢測(cè)點(diǎn)(假設(shè)設(shè)定為2.3V),將激活過(guò)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(guò)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(guò)放電電壓時(shí),過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)大或短路情況發(fā)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(guò)電流檢測(cè)電壓還高則停止放電,
公式為:

V-(過(guò)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(guò)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(guò)電流發(fā)生后,若能移除過(guò)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(guò)電流之保護(hù):

當(dāng)連接充電器在充電時(shí)突然有過(guò)電流發(fā)生(充電器損壞),即發(fā)生充電時(shí)過(guò)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(guò)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(wàn)片則需要100萬(wàn)秒,非常的耗時(shí),同樣的也很沒(méi)有效率,故我們可以利用以下之功能來(lái)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(guò)充時(shí)鎖住模式(Latch):

通常保護(hù)IC在過(guò)充電保護(hù)時(shí)經(jīng)過(guò)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(wèn)題將無(wú)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)度充電保護(hù)的高精化:

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)。此保護(hù)IC即檢視電池電壓，當(dāng)偵測(cè)到過(guò)度充電時(shí)，則過(guò)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(guò)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(wèn)題，同時(shí)，兼顧到安全性的問(wèn)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(lái)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(guò)度放電保護(hù)目的:

已充過(guò)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(wú)法再充電了(過(guò)放電狀態(tài))。而為防止過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(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也可以充電的動(dòng)作

保護(hù)IC功能未來(lái)發(fā)展

未來(lái)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(lái)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(guò)充保護(hù)或過(guò)放保護(hù)功能),可大大的減少成本及空間,這對(duì)我們來(lái)說(shuō)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(guò)高，因此，保護(hù)IC的單晶化將需一段時(shí)間來(lái)解決。