鋰離子電池管理芯片的研究及其低功耗設(shè)計(jì)案例

1.1鋰離子電池管理芯片的應(yīng)用及發(fā)展

1.1.1鋰離子電池的特點(diǎn)及應(yīng)用

早在1912年，以金屬鋰作為電極的鋰電池(Li Battery)的研究就開(kāi)始了，到上世紀(jì)七十年代，不可充電的鋰電池才首次應(yīng)用在商業(yè)領(lǐng)域。上世紀(jì)八十年代，研究的重點(diǎn)集中在可充電的鋰離子電池(Li-ion Battery)上，但并沒(méi)有成功解決電池的安全性問(wèn)題。一直到1991年，Sony公司首次實(shí)現(xiàn)了鋰離子電池商業(yè)化，被認(rèn)為是能源技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重要的里程牌。

如表1.1所示，和Ni-Cd等其它二次電池相比，鋰離子電池具有更高的能量密度(包括質(zhì)量比能量和體積比能量)、更高的充放電循環(huán)、更低的放電率和更高的單節(jié)電池工作電壓(3.6V)。顯然，鋰離子電池的高工作電壓將有利于減小移動(dòng)裝備的尺寸，高能量密度將有利于電池的輕量化，低放電率也能保證存儲(chǔ)期間的正常使用。

這十幾年間，鋰離子電池的應(yīng)用獲得了巨大發(fā)展，現(xiàn)已成為通訊類(lèi)電子產(chǎn)品的主要能源之一，被廣泛應(yīng)用在筆記本電腦、GSM/CDMA、數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)及PDA等高端便攜式消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品中[2]。如果將1997年以前適應(yīng)筆記本電腦市場(chǎng)、降低電池成本、提高容量稱(chēng)為鋰離子電池第一個(gè)黃金時(shí)期，那么在手機(jī)、攝像機(jī)等便攜電子產(chǎn)品的普及將使鋰離子電池產(chǎn)業(yè)進(jìn)入第二個(gè)黃金時(shí)期。比如，2004年94%的手機(jī)電池是鋰離子電池。隨著技術(shù)的發(fā)展，對(duì)鋰離子電池的需求將日益旺盛，2005年預(yù)計(jì)達(dá)12億只[3]。從鋰離子電池的生產(chǎn)和銷(xiāo)售分布來(lái)看，在2000年以前，日本是鋰離子電池的最大生產(chǎn)和銷(xiāo)售國(guó)，市場(chǎng)占有率達(dá)到95%以上。但近年來(lái)隨著中國(guó)和韓國(guó)的迅速崛起，日本一支獨(dú)秀的格局已經(jīng)被逐漸打破，預(yù)計(jì)2005年日本鋰離子電池的全球市場(chǎng)占有率將跌至50%以下。1.1.2鋰離子電池管理芯片的重要性

在鋰離子電池的研究開(kāi)發(fā)中，提高使用安全性問(wèn)題一直是研究的重點(diǎn)。由于質(zhì)量比能量高，而且電解液大多為有機(jī)易燃物等，當(dāng)電池?zé)崃慨a(chǎn)生速度大于散熱速度時(shí)，就有可能出現(xiàn)安全性問(wèn)題。有研究指出，鋰離子電池在濫用時(shí)，有可能達(dá)到700°C以上的高溫，從而導(dǎo)致電池出現(xiàn)冒煙、著火乃至爆炸;在過(guò)放電到低于1V時(shí)，正極表面將析出銅，造成電池內(nèi)部短路;在過(guò)流情況下，電池內(nèi)部溫度也極易升高，使電池性能惡化乃至損壞。圖1.1.1給出了在過(guò)充電和過(guò)放電情況下，鋰離子電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)及性能的變化，式中M代表Co、Al、Ni等金屬離子。

要提高鋰離子電池使用的安全性，除了進(jìn)行深入的機(jī)理研究，選擇合適的電極材料及優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)之外，還必須通過(guò)電池外圍的集成電路(IC)對(duì)電池進(jìn)行有效的管理。有報(bào)道稱(chēng)近年來(lái)，電池管理(Battery Management)芯片，無(wú)論是銷(xiāo)售額還是銷(xiāo)售量在功耗管理(Power Management)芯片中有望增長(zhǎng)得最快。鋰離子電池管理目標(biāo)包含對(duì)電池電壓監(jiān)測(cè)、充放電電流監(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)計(jì)算以及存儲(chǔ)。管理芯片中，包括保護(hù)電路、燃料檢測(cè)電路以及能夠?qū)嵭须姵財(cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)被稱(chēng)為智能電池系統(tǒng)(Smart Battery System， SBS)。SBS電池組結(jié)構(gòu)如圖1.1.2所示，它由溫度傳感器、能檢測(cè)雙向電流的電流檢測(cè)器、ADC、EEPROM存儲(chǔ)器、時(shí)鐘、狀態(tài)/控制電路、與主系統(tǒng)單線接口及地址、鋰離子電池保護(hù)電路等組成。其中由ADC轉(zhuǎn)換的數(shù)字量存儲(chǔ)在相應(yīng)的存儲(chǔ)器內(nèi)，通過(guò)單線接口與主系統(tǒng)連接，對(duì)內(nèi)部存儲(chǔ)器進(jìn)行讀/寫(xiě)的訪問(wèn)及控制。SBS除了能對(duì)電池進(jìn)行有效地保護(hù)之外，還能輸出電池剩余能量信號(hào)(可用LCD顯示)，這將是鋰離子電池管理芯片發(fā)展的主要目標(biāo)。目前，SBS應(yīng)用的協(xié)議發(fā)展到了SBdata1.1(數(shù)據(jù)協(xié)議)和SMbus2.0(總線協(xié)議)，而在IBM和索尼等筆記本電腦中，有幾個(gè)型號(hào)已采用了基于電池保護(hù)電路的SBS.

在鋰離子電池管理芯片中，保護(hù)電路由于能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電池電壓、充放電電流監(jiān)測(cè)，它既能單獨(dú)內(nèi)置在鋰離子電池中，也能在SBS中充當(dāng)二次保護(hù)電路用，更可貴的是，它能實(shí)現(xiàn)對(duì)Ni-Cd、Ni-H電池的同等保護(hù)，所以在電池管理芯片中占了很大的份額。

1.1.3電池管理芯片的發(fā)展現(xiàn)狀

目前，國(guó)外的Unitrode、Texas、Dallas等公司紛紛開(kāi)展了對(duì)鋰離子電池管理芯片的研究和開(kāi)發(fā)。和電池產(chǎn)量在全球市場(chǎng)占有率不斷下滑不同的是，日本的鋰離子電池管理芯片，尤其是保護(hù)電路的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，始終在全球占有主導(dǎo)地位。最著名的產(chǎn)品是精工的S82系列、理光的R54系列和MITSUMI的MM3061系列等。其中，S82系列產(chǎn)品因?yàn)楣δ荦R全、精度高和功耗低，被認(rèn)為是鋰離子電池管理芯片設(shè)計(jì)的領(lǐng)跑者之一。而在中國(guó)，除了臺(tái)灣有個(gè)別單位已開(kāi)發(fā)出了功能較為簡(jiǎn)單的保護(hù)芯片外，近年來(lái)，雖然也有個(gè)別大陸單位開(kāi)始研究鋰離子電池保護(hù)電路，但都處于起步階段，精度低、沒(méi)有統(tǒng)一的保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。更主要的是，目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有具有獨(dú)立自主產(chǎn)權(quán)的電路出現(xiàn)。目前，為了在最長(zhǎng)的電池使用時(shí)間和最輕的重量之間取得平衡，越來(lái)越多的便攜式設(shè)備如手機(jī)、攝像機(jī)等都采用單節(jié)鋰離子電池作為主電源。目前單節(jié)鋰離子電池的管理芯片研究，重點(diǎn)在于：

①除了要對(duì)電池充電過(guò)程進(jìn)行有效管理外，還更迫切地需要實(shí)現(xiàn)對(duì)充電及使用過(guò)