鋰離子電池充電保護(hù)集成電路UCC3957

2004年5月A版

摘  要：本文主要介紹了采用UCC3975的3/4節(jié)鋰離子電池充電電路和有關(guān)保護(hù)電路。

關(guān)鍵詞： 鋰離子電池；充電；保護(hù)

鋰離子電池

　　鋰離子電池與其他電池相比，主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　所標(biāo)志的開路電壓通常為3.6V，而鎳氫和鎳鎘電池的開路電壓為1.2V。

　　能量高、儲(chǔ)存能量密度大，以同樣輸出功率而言，鋰離子電池的重量不但比鎳氫電池輕一半，體積也小20%。

　　鋰離子電池的充電速度較快，僅需要1~2小時(shí)的時(shí)間就可充電，達(dá)到最佳狀態(tài)；同時(shí)，鋰離子電池的漏電量極少，即使隨意放置1~2周后再拿出來(lái)用時(shí)，一樣能發(fā)揮電力、照常工作；鋰離子電池的自放電率低<8%/月，遠(yuǎn)低于鎳鎘電池的30%和鎳氫電池的40%。

　　鋰離子電池在充電過(guò)程中，電池的電壓和充電電流都會(huì)隨充電時(shí)間而發(fā)生變化，其變化規(guī)律如圖1所示。

　　鋰離子電池充電需要控制它的充電電壓，限制充電電流和精確檢測(cè)電池電壓。鋰離子電池的充電特性與鎘鎳、鎳氫的充電特性完全不同。鋰離子電池可以在它的放電周期內(nèi)任一點(diǎn)充電，并且可以非常有效的保持它的電荷，保持時(shí)間比鎳氫電池長(zhǎng)兩倍以上，重量輕，其重量只有同容量鎘鎳電池的1/2，其質(zhì)量密度是鎘鎳電池的4倍。鋰離子電池開始充電時(shí)，電壓緩慢上升，充電電流逐漸減小，當(dāng)電池電壓達(dá)到4.2V左右時(shí)，電池電壓基本不變，充電電流繼續(xù)下降，判斷鋰離子電池充電是否結(jié)束的方法是利用檢測(cè)它的充電電流，當(dāng)它的充電電流下降至某一定值時(shí)結(jié)束充電。例如鋰離子電池的充電電流降到40mA(典型值為起始充電電流的5%左右)時(shí)結(jié)束充電，也可以在檢測(cè)到鋰離子電池達(dá)到4.2V時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器，在一定的時(shí)延后結(jié)束充電。這時(shí)充電電路應(yīng)有一個(gè)精度較高的電池電壓檢測(cè)電路，以防止鋰離子電池過(guò)充電。需要指出的是；鋰離子電池不需要涓流充電。

UCC3957

　　UCC3957是采用BiCMOS工藝的3/4節(jié)鋰離子電池組充電器保護(hù)用控制集成電路。它與外部的P溝道MOSFET晶體管一起對(duì)電池組充電實(shí)現(xiàn)兩級(jí)過(guò)電流保護(hù)，如果達(dá)到第一級(jí)過(guò)電流閥值電位時(shí)，保護(hù)電路以按用戶設(shè)定的保護(hù)時(shí)間，將外接電容放電，如果第一級(jí)保護(hù)時(shí)間到，電池過(guò)充、放電故障仍未排除，外接保護(hù)定時(shí)電容放電MOSFET以17倍于第一級(jí)保護(hù)時(shí)間關(guān)斷，實(shí)施第二級(jí)保護(hù)，這對(duì)容性負(fù)載是很有用的。UCC3957在休眠工作模式下的耗電僅為3.5mA，典型工作電流為30mA，直流工作電壓范圍為6.5~20V，充電過(guò)電流保護(hù)延時(shí)時(shí)間可通過(guò)調(diào)節(jié)外接元件參數(shù)的辦法實(shí)現(xiàn)。使用外部P溝道MOSFET晶體管的優(yōu)點(diǎn)是，可以保護(hù)任一節(jié)電池過(guò)放電和過(guò)充電，并保護(hù)電池組及UCC3957集成電路本身。

　　為配合不同廠家生產(chǎn)的鋰電池，UCC3957系列集成電路有4種不同的過(guò)電壓保護(hù)門限值(見(jiàn)表1)。

UCC3957典型應(yīng)用電路

　　UCC3957可以對(duì)3節(jié)或4節(jié)鋰電池組提供防止電池過(guò)充電、過(guò)放電及過(guò)電流充、放電等故障的全面保護(hù)功能，它對(duì)電池組內(nèi)的每一節(jié)電池電壓采樣并與內(nèi)部的精密基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，當(dāng)任一節(jié)電池處于過(guò)電壓或欠電壓狀態(tài)時(shí)，UCC3957就會(huì)采取適當(dāng)?shù)拇胧┓乐闺姵剡M(jìn)一步充電或放電。UCC3957外部接有2個(gè)獨(dú)立的P溝道MOSFET晶體管，分別控制電池的充電和放電電流。

　　采用UCC3957的4節(jié)電池組的典型保護(hù)電路示于圖2

電池組的連接

　　電池組與UCC3957連接要注意它的順序。電池組的低電位端連接到引腳⑦AN4，高電位端連接到引腳VDD，每?jī)晒?jié)電池的連接點(diǎn)按相應(yīng)順序連接到引腳④AN1、⑤AN2、⑥AN3。

選擇3或4節(jié)電池充電工作狀態(tài)

　　當(dāng)電池組為3節(jié)電池時(shí)，引腳②CLCNT應(yīng)連到引腳DVDD，同時(shí)將引腳⑥AN3與引腳⑦AN4連到一起，當(dāng)電池組為4節(jié)電池時(shí)，引腳②CLCNT接地(即連到引腳⑦AN4)，AN3引腳接至電池組最下面一只電池的正極。

欠電壓保護(hù)

　　當(dāng)檢測(cè)到任一節(jié)電池處于過(guò)放電狀態(tài)時(shí)(低于欠電壓閥值電位)，狀態(tài)檢測(cè)器同時(shí)關(guān)斷2個(gè)MOSFET，使UCC3957進(jìn)入休眠工作模式，此時(shí)UCC3957的耗電僅為3.5mA，只有當(dāng)引腳③WU的電壓升到①VDD后，UCC3957退出休眠工作模式。

電池充電

　　當(dāng)充電器接入充電電源器時(shí)，只要引腳⑨CHGEN的電壓被拉到(16)DVDD，充電FET VT1導(dǎo)通，電池組充電。但是如果引腳⑨CHGEN開路或連到引腳⑦AN4，則充電FET VT1關(guān)斷。

　　充電期間，如果UCC3957處于休眠工作模式，則放電FET VT2仍然關(guān)斷，充電電流流過(guò)放電FET VT2的體二極管；直到每節(jié)電池的電壓高于欠電壓閥值電壓，則放電FET VT2導(dǎo)通。休眠工作期間，充電FET晶體管VT1處于周期性的導(dǎo)通和關(guān)斷方式，導(dǎo)通時(shí)間為7ms，關(guān)斷時(shí)間為10ms。

電池連接不正常保護(hù)

　　UCC3957具有被充電電池盒內(nèi)電池連接不正常的保護(hù)功能。如果和電池連接的引腳④AN1、⑤AN2、或⑥AN3連接不正常、斷連接，UCC3957可以檢測(cè)到并可預(yù)防電池組過(guò)充壓。

過(guò)電壓保護(hù)與智能放電特性

　　如果某一電池充電電壓超過(guò)正常過(guò)充電閥值電位，則充電FET VT1關(guān)斷，以防止電池過(guò)充電。關(guān)斷一直保持到該電池電壓降低到過(guò)充電閥值電位。在大多數(shù)保護(hù)電路設(shè)計(jì)中，在該過(guò)電壓保護(hù)帶(在正常值與過(guò)充電閥值之間，或反之，在過(guò)充電閥值與正常值之間)，充電FET VT1一直處于保護(hù)的完全關(guān)斷工作狀態(tài)，此時(shí)放電電流必須通過(guò)充電FET VT1的體二極管，該二極管的壓降高達(dá)1V，從而在充電FET VT1內(nèi)產(chǎn)生極大的功耗，消耗寶貴的電池功率。

　　UCC3957具有獨(dú)到的智能放電特性，它可使充電FET VT1對(duì)放電電流導(dǎo)通(僅對(duì)放電而言)而仍然處于過(guò)電壓回差范圍之內(nèi)。這樣就大大減少了充電FET VT1上的功耗。這一措施是通過(guò)采樣流經(jīng)電流檢測(cè)電阻RSENES上的電壓降來(lái)完成的，如果這個(gè)電壓降超過(guò)15mV(0.025Ω電流檢測(cè)電阻對(duì)應(yīng)0.6A的放電電流)，則充電FET VT1再次導(dǎo)通。此例中，若20mW的FET，其體二極管電壓降為1V，對(duì)應(yīng)為1A負(fù)載，則VT1的功耗由1W降至0.02W。

過(guò)電流保護(hù)

　　UCC3957采用二級(jí)過(guò)電流保護(hù)模式保護(hù)電池組的過(guò)充電電流和電池組短路，當(dāng)電流檢測(cè)電阻RSENSE (接在引腳AN4與引腳BATLO之間)上的電壓降超過(guò)某一閥值電位時(shí)，過(guò)電流保護(hù)進(jìn)入打嗝兒保護(hù)工作模式。在這一工作模式時(shí)，放電FET VT2周期性地關(guān)斷與導(dǎo)通，直到故障排除。一旦故障排除，UCC3957自動(dòng)恢復(fù)正常工作。

　　為了適應(yīng)大的容性負(fù)載，UCC3957有兩個(gè)過(guò)電流閥值電壓，對(duì)應(yīng)每一閥值電壓可以設(shè)定不同的延遲時(shí)間。這種二級(jí)過(guò)電流保護(hù)既可對(duì)短路提供快速的響應(yīng)，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(guò)電流誤保護(hù)動(dòng)作。

　　第一級(jí)過(guò)電流保護(hù)閥值電位為150mV，對(duì)應(yīng)0.025Ω的電流檢測(cè)電阻，過(guò)電流閥值為6A。如果峰值放電電流持續(xù)時(shí)間超過(guò)該值所設(shè)定的時(shí)間(由接在CDLY1和地之間的電容設(shè)定)，UCC3957進(jìn)入打嗝兒保護(hù)工作模式。打嗝兒保護(hù)工作模式時(shí)的占空比約為6%，即關(guān)斷時(shí)間大約是導(dǎo)通時(shí)間的17倍。

　　第二級(jí)過(guò)電流閥值電位為375mV，對(duì)應(yīng)0.025Ω電流檢測(cè)電阻，過(guò)電流閥值為15A。如果峰值放電電流超過(guò)該電位值所設(shè)定的時(shí)間(由接在CCDLY2和地之間的電容設(shè)定)，UCC3957進(jìn)入打嗝兒保護(hù)工作模式，并且占空比一般小于1%。而關(guān)斷時(shí)間tOFF仍然由接在CCDLY1與地之間的電容決定。這一技術(shù)大大地降低了短路時(shí)FET VT2上的功耗，從而降低了對(duì)FET VT2的使用要求。

　　當(dāng)CDLY1=0.022mF時(shí)，則對(duì)應(yīng)第一級(jí)過(guò)電流的(當(dāng)電流大于6A而小于15A時(shí))導(dǎo)通時(shí)間tON大約為10ms，關(guān)斷時(shí)間tOFF大約為160ms，占空比為5.9%；當(dāng)電流超過(guò)15A時(shí)如果不用CDLY2，則第二級(jí)過(guò)電流保護(hù)的占空比為0.1%；如果CDLY2取22pf時(shí)，則對(duì)應(yīng)的導(dǎo)通時(shí)間為800ms，占空比為0.5%。

　　圖2中，VR1和R2用于當(dāng)充電器開路充電電壓過(guò)高時(shí)，保護(hù)充電FET晶體管VT1。在該應(yīng)用電路中，短路時(shí)放電FET晶體管VT2關(guān)斷，由于電池組輸出的分布電感，這時(shí)的會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓的負(fù)突變；這一負(fù)突變會(huì)超過(guò)放電FET晶體管VT2的耐壓值，這一負(fù)突變也會(huì)損壞UCC3597。圖2中的VD1對(duì)這一負(fù)突變箝位以保護(hù)放電FET VT2，C5應(yīng)直接置于電池組的頂端和底端。

　　由于在放電過(guò)電流保護(hù)時(shí)，放電FET VT2產(chǎn)生的負(fù)電壓過(guò)充電與的大小有關(guān)，而與放電FET VT2的導(dǎo)通和關(guān)斷驅(qū)動(dòng)脈沖的上升、下降時(shí)間有關(guān)。故圖2中用R3、C5、R4來(lái)控制的大小。■

參考文獻(xiàn)：

1．TI's Designer's Guid CD-ROM SLYC005D ISBN-980029-43-7H  SLUS236A “Three-or four-cell lithium-ion protector circuit”