鋰電池保護(hù)電路綜述
由于鋰離子電池能量密度高,因此難以確保電池的安全性。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)壓上升而產(chǎn)生自燃或破裂的危險(xiǎn);反之,在過度放電狀態(tài)下,電解液因分解導(dǎo)致電池特性及耐久性劣化,因而降低可充電次數(shù)。
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,并防止特性劣化。鋰離子電池的保護(hù)電路是由保護(hù)IC及兩顆功率MOSFET所構(gòu)成,其中保護(hù)IC監(jiān)視電池電壓,當(dāng)有過度充電及放電狀態(tài)時(shí)切換到以外掛的功率MOSFET來保護(hù)電池,保護(hù)IC的功能有過度充電保護(hù)、過度放電保護(hù)和過電流/短路保護(hù)。
一、過度充電保護(hù)
過度充電保護(hù)IC的原理為:當(dāng)外部充電器對鋰電池充電時(shí),為防止因溫度上升所導(dǎo)致的內(nèi)壓上升,需終止充電狀態(tài)。此時(shí),保護(hù)IC需檢測電池電壓,當(dāng)?shù)竭_(dá)4.25V時(shí)(假設(shè)電池過充點(diǎn)為4.25V)即激活過度充電保護(hù),將功率MOSFET由開轉(zhuǎn)為切斷,進(jìn)而截止充電。
另外,還必須注意因噪音所產(chǎn)生的過度充電檢出誤動作,以免判定為過充保護(hù)。因此,需要設(shè)定延遲時(shí)間,并且延遲時(shí)間不能短于噪音的持續(xù)時(shí)間。
二、過度放電保護(hù)
在過度放電的情況下,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。采用鋰電池保護(hù)IC可以避免過度放電現(xiàn)象產(chǎn)生,實(shí)現(xiàn)電池保護(hù)功能。
過度放電保護(hù)IC原理:為了防止鋰電池的過度放電狀態(tài),假設(shè)鋰電池接上負(fù)載,當(dāng)鋰電池電壓低于其過度放電電壓檢測點(diǎn)(假定為2.3V)時(shí)將激活過度放電保護(hù),使功率MOSFET由開轉(zhuǎn)變?yōu)榍袛喽刂狗烹姡员苊怆姵剡^度放電現(xiàn)象產(chǎn)生,并將電池保持在低靜態(tài)電流的待機(jī)模式,此時(shí)的電流僅0.1μA。
當(dāng)鋰電池接上充電器,且此時(shí)鋰電池電壓高于過度放電電壓時(shí),過度放電保護(hù)功能方可解除。另外,考慮到脈沖放電的情況,過放電檢測電路設(shè)有延遲時(shí)間以避免產(chǎn)生誤動作。
三、過電流及短路電流
因?yàn)椴幻髟颍ǚ烹姇r(shí)或正負(fù)極遭金屬物誤觸)造成過電流或短路,為確保安全,必須使其立即停止放電。
過電流保護(hù)IC原理為,當(dāng)放電電流過大或短路情況產(chǎn)生時(shí),保護(hù)IC將激活過(短路)電流保護(hù),此時(shí)過電流的檢測是將功率MOSFET的Rds(on) 當(dāng)成感應(yīng)阻抗用以監(jiān)測其電壓的下降情形,如果比所定的過電流檢測電壓還高則停止放電,運(yùn)算公式為:
V- = I × Rds(on) × 2(V- 為過電流檢測電壓,I 為放電電流)
假設(shè) V- = 0.2V,Rds(on) = 25mΩ,則保護(hù)電流的大小為 I = 4A
同樣地,過電流檢測也必須設(shè)有延遲時(shí)間以防有突發(fā)電流流入時(shí)產(chǎn)生誤動作。
通常在過電流產(chǎn)生后,若能去除過電流因素(例如馬上與負(fù)載脫離),將會恢復(fù)其正常狀態(tài),可以再進(jìn)行正常的充放電動作。
四、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,下面這些新的功能同樣值得關(guān)注:
1.充電時(shí)的過電流保護(hù)
當(dāng)連接充電器進(jìn)行充電時(shí)突然產(chǎn)生過電流(如充電器損壞),電路立即進(jìn)行過電流檢測,此時(shí)Cout將由高轉(zhuǎn)為低,功率MOSFET由開轉(zhuǎn)為切斷,實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。
V- = I × Rds(on) × 2
(I 是充電電流;Vdet4,過電流檢測電壓,Vdet4 為 -0.1V)
2.過度充電時(shí)的鎖定模式
通常保護(hù)IC在過度充電保護(hù)時(shí)將經(jīng)過一段延遲時(shí)間,然后就會將功率MOSFET切斷以達(dá)到保護(hù)的目的,當(dāng)鋰電池電壓一直下降到解除點(diǎn)(過度充電滯后電壓)時(shí)就會恢復(fù),此時(shí)又會繼續(xù)充電→保護(hù)→放電→充電→放電。這種狀態(tài)的安全性問題將無法獲得有效解決,鋰電池將一直重復(fù)著充電→放電→充電→放電的動作,功率 MOSFET的柵極將反復(fù)地處于高低電壓交替狀態(tài),這樣可能會使MOSFET變熱,還會降低電池壽命,因此鎖定模式很重要。假如鋰電保護(hù)電路在檢測到過度充電保護(hù)時(shí)有鎖定模式,MOSFET將不會變熱,且安全性相對提高很多。
在過度充電保護(hù)之后,只要充電器連接在電池包上,此時(shí)將進(jìn)入過充鎖定模式。此時(shí),即使鋰電池電壓下降也不會產(chǎn)生再充電的情形,將充電器移除并連接負(fù)載即可恢復(fù)充放電的狀態(tài)。
3.減少保護(hù)電路組件尺寸
將過度充電和短路保護(hù)用的延遲電容器整合在到保護(hù)IC里面,以減少保護(hù)電路組件尺寸。
五、對保護(hù)IC性能的要求
1.過度充電保護(hù)的高精密度化
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)。保護(hù)IC將檢測電池電壓,當(dāng)檢測到過度充電時(shí),則過度充電檢測的功率 MOSFET使之切斷而截止充電。此時(shí)應(yīng)注意的是過度充電的檢測電壓的高精密度化,在電池充電時(shí),使電池充電到飽滿的狀態(tài)是使用者很關(guān)心的問題,同時(shí)兼顧到安全性問題,因此需要在達(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,必須有高精密度的檢測器,目前檢測器的精密度為25mV,該精密度將有待于進(jìn)一步提高。
2.降低保護(hù)IC的耗電
隨著使用時(shí)間的增加,已充過電的鋰離子電池電壓會逐漸降低,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,可能造成由于過度放電而使電池不能繼續(xù)使用。為防止過度放電,保護(hù)IC必須檢測電池電壓,一旦達(dá)到過度放電檢測電壓以下,就得使放電一方的功率MOSFET切斷而截止放電。但此時(shí)電池本身仍有自然放電及保護(hù)IC的消耗電流存在,因此需要使保護(hù)IC消耗的電流降到最低程度。
3.過電流/短路保護(hù)需有低檢測電壓及高精密度的要求
因不明原因?qū)е露搪窌r(shí)必須立即停止放電。過電流的檢測是以功率MOSFET的Rds(on)為感應(yīng)阻抗,以監(jiān)視其電壓的下降,此時(shí)的電壓若比過電流檢測電壓還高時(shí)即停止放電。為了使功率MOSFET的Rds(on)在充電電流與放電電流時(shí)有效應(yīng)用,需使該阻抗值盡量低,目前該阻抗約為20mΩ~30mΩ,這樣過電流檢測電壓就可較低。
4.耐高電壓
電池包與充電器連接時(shí)瞬間會有高壓產(chǎn)生,因此保護(hù)IC應(yīng)滿足耐高壓的要求。
5.低電池功耗
在保護(hù)狀態(tài)時(shí),其靜態(tài)耗電流必須要小0.1μA。
6.零伏可充電
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時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)充電。
六、保護(hù)IC發(fā)展展望
如前所述,未來保護(hù)IC將進(jìn)一步提高檢測電壓的精密度、降低保護(hù)IC的耗電流和提高誤動作防止功能等,同時(shí)充電器連接端子的高耐壓也是研發(fā)的重點(diǎn)。 在封裝方面,目前已由SOT23-6逐漸轉(zhuǎn)向SON6封裝,將來還有CSP封裝,甚至出現(xiàn)COB產(chǎn)品用以滿足現(xiàn)在所強(qiáng)調(diào)的輕薄短小要求。
在功能方面,保護(hù)IC不需要整合所有的功能,可根據(jù)不同的鋰電池材料開發(fā)出單一保護(hù)IC,如只有過充保護(hù)或過放保護(hù)功能,這樣可以大幅減少成本及尺寸。
當(dāng)然,功能組件單晶體化是不變的目標(biāo),如目前手機(jī)制造商都朝向?qū)⒈Wo(hù)IC、充電電路以及電源管理IC等周邊電路與邏輯IC構(gòu)成雙芯片的芯片組,但目前要使功率MOSFET的開路阻抗降低,難以與其它IC整合,即使以特殊技術(shù)制成單芯片,恐怕成本將會過高。因此,保護(hù)IC的單晶體化將需一段時(shí)間來解決。
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