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(diǎn)及工作原理，并給出了3節或4節鋰離子電池組的應用電路。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池；保護電路；過(guò)壓；欠壓；過(guò)充電；過(guò)放電；過(guò)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(shí)施保護。使用外部P溝道MOSFET的優(yōu)點(diǎn)是，在電池組處于過(guò)放電狀態(tài)時(shí)，沒(méi)有接地損耗；而在過(guò)充電狀態(tài)時(shí)，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(jiàn)，UCC3957內部的狀態(tài)選擇器可不間斷地工作，當持續工作時(shí)就可保護每一節鋰離子電池免于過(guò)充電和過(guò)放電。而另一個(gè)過(guò)流控制器則保護電池組不會(huì )產(chǎn)生過(guò)多的放電電流。

為配合不同廠(chǎng)家的鋰電池，UCC3957有4種不同的過(guò)壓保護門(mén)限，如表1所示。

表1 UCC3957-X的過(guò)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(lái)設定芯片工作在三節或四節電池狀態(tài)下；

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

腳4 AN1 與第1節電池的負極及第2節正極相連；

腳5 AN2 與第2節電池的負極及第3節正極相連；

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

腳7和11 AN4 當有4節電池時(shí)與電池組的底端相連，同時(shí)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(shí)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(shí)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(guò)流時(shí)控制放電MOSFET的關(guān)斷時(shí)間；

腳12 CHG 控制外部的N溝道MOSFET管，而該管則用來(lái)驅動(dòng)P溝道MOSFET管，如果有任一節電池電壓高于過(guò)壓閾值，則該腳被置低；只有所有單節電池電壓低于該閾值，則該腳置高；

腳13 DCHG 用于預防過(guò)放電。如芯片內部的狀態(tài)檢測器判斷任一電池處于過(guò)放電狀態(tài)，則DCHG被置高以使外部放電P溝道MOSFET關(guān)斷，但當所有電池的電壓高于最低門(mén)限時(shí)，DCHG被置低；

腳14 CDLY2 該腳與AN4接一電容，以延長(cháng)第二級過(guò)流保護的設定時(shí)間；

腳15 AVDD 內部模擬電路電源，通過(guò)0.1μF電容與AN4相連，正常電壓為7.3V；

腳16 DVDD 內部數字電路電源，通過(guò)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節鋰電池組提供防止電池過(guò)充電，過(guò)放電及過(guò)流等的全面保護，它對電池組內的每一節電池電壓采樣并與內部的精密基準電壓進(jìn)行比較。當任一節電池處于過(guò)壓或欠壓狀態(tài)時(shí)，它就會(huì )采取適當的措施防止進(jìn)一步充電或放電。其外部有2個(gè)獨立的P溝道MOSFET，分別控制充電和放電電流。圖3為3節鋰電池的保護電路。

下面以圖3為例，講述UCC3957的應用特點(diǎn)。

圖3 3節鋰電池保護電路

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?jì)晒濍姵氐倪B接點(diǎn)按相應順序連接到AN1、AN2、AN3。

2）選擇3或4節電池

當電池組為3節電池時(shí)，CLCNT應連到DVDD，同時(shí)將AN3與AN4連到一起，當電池組為4節電池時(shí)，CLCNT接地（即連到AN4）

3）欠壓保護

當檢測到任一節電池處于過(guò)放電時(shí)（低于欠壓閾值），狀態(tài)檢測器同時(shí)關(guān)斷2只P溝道MOSFET，UCC3957進(jìn)入休眠狀態(tài)，此時(shí)芯片的耗電僅為3.5μA，只有當WU電壓升到VDD時(shí)，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(shí)，CHGEN電壓被拉到DVDD，充電FET導通，電池組充電。而如果CHGEN開(kāi)路或連到N4，則充電FET仍然關(guān)斷。

充電期間，如果芯片處于休眠狀態(tài)，則放電FET仍然關(guān)斷，充電電流流過(guò)放電FET的體二極管；直到每節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(guān)斷方式，導通時(shí)間為7ms，關(guān)斷時(shí)間為10ms。

5）斷線(xiàn)保護

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

6）過(guò)壓保護與智能放電特性

如果某一電池充電電壓超過(guò)正常過(guò)充電閾值，則充電FET關(guān)斷，以防止過(guò)充。關(guān)斷一直保持到該電池電壓降低到過(guò)充電閾值。在大多數保護設計中，在該過(guò)壓保護帶（正常值—過(guò)充電閾值，或反之，過(guò)充電閾值—正常值）之間，充電FET一直保持完全的關(guān)斷，此時(shí)放電電流必須通過(guò)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(guò)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(guò)采樣流經(jīng)傳感電阻上的電流的壓降來(lái)完成的。如果壓降超過(guò)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(guò)流保護

UCC3957采用二級過(guò)流保護模式保護電池組的過(guò)流和短路，當電流傳感電阻(接在A(yíng)N4與BATLO間)上的壓降超過(guò)某一閾值時(shí)，過(guò)流保護進(jìn)入間歇模式。在這一模式時(shí)，放電FET周期性地關(guān)斷與導通，直到故障排除。一旦故障排除，芯片自動(dòng)恢復常規工作。為了適應大的電容負載，芯片有兩個(gè)過(guò)流閾值電壓，對應每一閾值電壓可以設定不同的延遲時(shí)間。這種二級過(guò)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(guò)流保護動(dòng)作。

第一級過(guò)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(guò)該值所設定的時(shí)間(由接在CDLY1和地之間的電容設定),芯片進(jìn)入間歇工作模式。間歇模式時(shí)的占空比約為6％，即關(guān)斷時(shí)間大約是導通時(shí)間的16倍。導通時(shí)間對電容值的關(guān)系曲線(xiàn)如圖4所示。

第二級過(guò)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(guò)該值所設定的時(shí)間(由接在CDLY2和地之間的電容設定)，芯片也進(jìn)入間歇工作模式，且占空比相當低，一般小于1％。其關(guān)系曲線(xiàn)如圖5所示；而關(guān)斷時(shí)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(shù)大大地降低了短路時(shí)FET上的功耗，從而降低了對FET的使用要求。

圖4 第一級過(guò)流延時(shí)時(shí)間tD與電容CCDLY1的關(guān)系曲線(xiàn)

圖5 第二級過(guò)流延時(shí)時(shí)間tD與電容CCDLY2的關(guān)系曲線(xiàn)

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

4 應用電路

一個(gè)應用UCC3957的4節電池組保護電路如圖6所示。

圖6 4節鋰電池保護電路

圖6中，VR1和R2用于充電器開(kāi)路充電電壓過(guò)高時(shí)，保護充電FET（Q1）。在該應用電路中，短路時(shí)放電FET（Q2）關(guān)斷，由于電池組輸出的分布電感，這時(shí)的di/dt會(huì )產(chǎn)生一個(gè)電壓的負突變；這一負突變會(huì )超過(guò)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(huì )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(guò)流保護時(shí)，放電FET產(chǎn)生的負壓過(guò)充與di/dt的大小有關(guān)，而di/dt與放電FET的導通和關(guān)斷驅動(dòng)脈沖的上升、下降時(shí)間有關(guān)。故圖6中用R3、C6、R4來(lái)控制di/dt。