鋰離子電池保護電路UCC3957

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

關鍵詞：鋰離子電池；保護電路；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)鋰離子電池組保護用IC。它與外部的P溝道MOSFET一起對電池組實施保護。使用外部P溝道MOSFET的優(yōu)點是，在電池組處于過放電狀態(tài)時，沒有接地損耗；而在過充電狀態(tài)時，可以保護電池組及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內部的狀態(tài)選擇器可不間斷地工作，當持續(xù)工作時就可保護每一節(jié)鋰離子電池免于過充電和過放電。而另一個過流控制器則保護電池組不會產(chǎn)生過多的放電電流。

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

表1 UCC3957-X的過壓保護值（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 用來設定芯片工作在三節(jié)或四節(jié)電池狀態(tài)下；

腳3 WU 當芯片處于休眠狀態(tài)時，在此腳施加信號可喚醒芯片進入正常工作狀態(tài)，此腳應接到N溝道電平移動MOSFET的漏極；

腳4 AN1 與第1節(jié)電池的負極及第2節(jié)正極相連；

腳5 AN2 與第2節(jié)電池的負極及第3節(jié)正極相連；

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

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

腳8 BATLO 與電池組的負端連接，同時和電流傳感電阻的底端相連接；

腳9 CHGEN 充電使能端，接高電平時電池組充電；

腳10 CDLY1 短路保護的延遲控制，在該腳與AN4腳間接電容，當過流時控制放電MOSFET的關斷時間；

腳12 CHG 控制外部的N溝道MOSFET管，而該管則用來驅動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 用于預防過放電。如芯片內部的狀態(tài)檢測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關斷，但當所有電池的電壓高于最低門限時，DCHG被置低；

腳14 CDLY2 該腳與AN4接一電容，以延長第二級過流保護的設定時間；

腳15 AVDD 內部模擬電路電源，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，它對電池組內的每一節(jié)電池電壓采樣并與內部的精密基準電壓進行比較。當任一節(jié)電池處于過壓或欠壓狀態(tài)時，它就會采取適當?shù)拇胧┓乐惯M一步充電或放電。其外部有2個獨立的P溝道MOSFET，分別控制充電和放電電流。圖3為3節(jié)鋰電池的保護電路。

下面以圖3為例，講述UCC3957的應用特點。

圖3 3節(jié)鋰電池保護電路

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，每兩節(jié)電池的連接點按相應順序連接到AN1、AN2、AN3。

2）選擇3或4節(jié)電池

當電池組為3節(jié)電池時，CLCNT應連到DVDD，同時將AN3與AN4連到一起，當電池組為4節(jié)電池時，CLCNT接地（即連到AN4）

3）欠壓保護

當檢測到任一節(jié)電池處于過放電時（低于欠壓閾值），狀態(tài)檢測器同時關斷2只P溝道MOSFET，UCC3957進入休眠狀態(tài)，此時芯片的耗電僅為3.5μA，只有當WU電壓升到VDD時，芯片檢測到后重充電從而退出休眠狀態(tài)。

4）充電

當接入充電器時，CHGEN電壓被拉到DVDD，充電FET導通，電池組充電。而如果CHGEN開路或連到N4，則充電FET仍然關斷。

充電期間，如果芯片處于休眠狀態(tài)，則放電FET仍然關斷，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導通。休眠期間，充電FET處于周期性的導通和關斷方式，導通時間為7ms，關斷時間為10ms。

5）斷線保護

UCC3957具有內部電池保護。如果內部AN1，AN2或AN3斷線，芯片可檢測到并可預防電池組過壓。

6）過壓保護與智能放電特性

如果某一電池充電電壓超過正常過充電閾值，則充電FET關斷，以防止過充。關斷一直保持到該電池電壓降低到過充電閾值。在大多數(shù)保護設計中，在該過壓保護帶（正常值—過充電閾值，或反之，過充電閾值—正常值）之間，充電FET一直保持完全的關斷，此時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1V，從而在充電FET內產(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對放電電流導通而仍然處于過壓回差之內。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傳感電阻對應0.6A的放電電流)，則充電FET再次導通。此例中，若20mW的FET，其體二極管壓降為1V，對應為1A負載，則其功耗由1W降至0.02W。

7）過流保護

UCC3957采用二級過流保護模式保護電池組的過流和短路，當電流傳感電阻(接在AN4與BATLO間)上的壓降超過某一閾值時，過流保護進入間歇模式。在這一模式時，放電FET周期性地關斷與導通，直到故障排除。一旦故障排除，芯片自動恢復常規(guī)工作。為了適應大的電容負載，芯片有兩個過流閾值電壓，對應每一閾值電壓可以設定不同的延遲時間。這種二級過流保護既可對短路提供快速的響應，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動作。

第一級過流保護閾值為150mV，對應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定的時間(由接在CDLY1和地之間的電容設定),芯片進入間歇工作模式。間歇模式時的占空比約為6％，即關斷時間大約是導通時間的16倍。導通時間對電容值的關系曲線如圖4所示。

第二級過流閾值為375mV，對應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定的時間(由接在CDLY2和地之間的電容設定)，芯片也進入間歇工作模式，且占空比相當?shù)?，一般小?％。其關系曲線如圖5所示；而關斷時間仍然由接在CDLY1與地之間上的電容決定。如圖4所示。這一技術大大地降低了短路時FET上的功耗，從而降低了對FET的使用要求。

圖4 第一級過流延時時間tD與電容CCDLY1的關系曲線

圖5 第二級過流延時時間tD與電容CCDLY2的關系曲線

在圖3中，CDLY1=0.022μF時，則第一級過流（當電流大于6A而小于15A時）導通時間為10ms，關斷時間為160ms，占空比為5.9％；當電流超過15A時如果不用CDLY2，則第二級過流保護的占空比為0.1％；如果CDLY2為22pF時，則導通時間為800μs，占空比為0.5％。

4 應用電路

一個應用UCC3957的4節(jié)電池組保護電路如圖6所示。

圖6 4節(jié)鋰電池保護電路

圖6中，VR1和R2用于充電器開路充電電壓過高時，保護充電FET（Q1）。在該應用電路中，短路時放電FET（Q2）關斷，由于電池組輸出的分布電感，這時的di/dt會產(chǎn)生一個電壓的負突變；這一負突變會超過放電FET的耐壓值。圖中的D1對這一負突變箝位以保護放電FET，這一負突變也會損壞UCC3597，所以C5應直接置于電池組的頂端和底端。

由于放電過流保護時，放電FET產(chǎn)生的負壓過充與di/dt的大小有關，而di/dt與放電FET的導通和關斷驅動脈沖的上升、下降時間有關。故圖6中用R3、C6、R4來控制di/dt。