鋰電池保護電路原理、功能及特性分析

離子電池保護電路包括過(guò)度充電保護、過(guò)電流/短路保護和過(guò)放電保護,要求過(guò)充電保護高精度、保護IC功耗低、高耐壓以及零伏可充電等特性.本文詳細介紹了這三種保護電路的原理、新功能和特性要求。

近年來(lái),PDA、數字相機、手機、便攜式音頻設備和藍牙設備等越來(lái)越多的產(chǎn)品采用鋰電池作為主要電源.鋰電池具有體積小、能量密度高、無(wú)記憶效應、循環(huán)壽命高、高電壓電池和自放電率低等優(yōu)點(diǎn),與鎳鎘、鎳氫電池不太一樣,鋰電池必須考慮充電、放電時(shí)的安全性,以防止特性劣化.針對鋰電池的過(guò)充、過(guò)度放電、過(guò)電流及短路保護很重要,所以通常都會(huì )在電池包內設計保護線(xiàn)路用以保護鋰電池。

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(guò)度充電狀態(tài)下,電池溫度上升后能量將過(guò)剩,于是電解液分解而產(chǎn)生氣體,因內壓上升而發(fā)生自燃或破裂的危險;反之,在過(guò)度放電狀態(tài)下,電解液因分解導致電池特性及耐久性劣化,從而降低可充電次數。鋰離子電池的保護電路就是要確保這樣的過(guò)度充電及放電狀態(tài)時(shí)的安全性,并防止特性劣化.鋰離子電池的保護電路是由保護IC及兩顆功率 MOSFET所構成,其中保護IC監視電池電壓,當有過(guò)度充電及放電狀態(tài)時(shí)切換到以外掛的功率MOSFET來(lái)保護電池,保護IC的功能有過(guò)度充電保護、過(guò)度放電保護和過(guò)電流/短路保護。

過(guò)度充電保護

過(guò)度充電保護IC的原理為:當外部充電器對鋰電池充電時(shí),為防止因溫度上升所導致的內壓上升,需終止充電狀態(tài).此時(shí),保護IC需檢測電池電壓,當到達4.25V時(shí)(假設電池過(guò)充點(diǎn)為4.25V)即激活過(guò)度充電保護,將功率MOS由開(kāi)轉為關(guān)斷,進(jìn)而截止充電。

另外, 還必須注意因噪聲所產(chǎn)生的過(guò)度充電檢出誤動(dòng)作,以免判定為過(guò)充保護.因此,需要設定延遲時(shí)間,并且延遲時(shí)間不能短于噪聲的持續時(shí)間。

過(guò)度放電保護

在過(guò)度放電的情況下,電解液因分解而導致電池特性劣化,并造成充電次數的降低.采用鋰電池保護IC可以避免過(guò)度放電現象發(fā)生,實(shí)現電池保護功能。

過(guò)度放電保護IC原理:為了防止鋰電池的過(guò)度放電狀態(tài),假設鋰電池接上負載,當鋰電池電壓低于其過(guò)度放電電壓檢測點(diǎn)(假定為2.3V)時(shí)將激活過(guò)度放電保護,使功率MOSFET由開(kāi)轉變?yōu)殛P(guān)斷而截止放電,以避免電池過(guò)度放電現象發(fā)生,并將電池保持在低靜態(tài)電流的待機模式,此時(shí)的電流僅 0.1uA。

當鋰電池接上充電器,且此時(shí)鋰電池電壓高于過(guò)度放電電壓時(shí),過(guò)度放電保護功能方可解除.另外,考慮到脈沖放電的情況,過(guò)放電檢測電路設有延遲時(shí)間以避免發(fā)生誤動(dòng)作。

過(guò)電流及短路電流

因為不明原因(放電時(shí)或正負極遭金屬物誤觸)造成過(guò)電流或短路,為確保安全,必須使其立即停止放電。

過(guò)電流保護IC原理為,當放電電流過(guò)大或短路情況發(fā)生時(shí),保護IC將激活過(guò)(短路)電流保護,此時(shí)過(guò)電流的檢測是將功率MOSFET的 Rds(on)當成感應阻抗用以監測其電壓的下降情形,如果比所定的過(guò)電流檢測電壓還高則停止放電,計算公式為: V-=I×Rds(on)×2(V-為過(guò)電流檢測電壓,I為放電電流).假設V-=0.2V,Rds(on)=25mΩ,則保護電流的大小為I=4A。

同樣地,過(guò)電流檢測也必須設有延遲時(shí)間以防有突發(fā)電流流入時(shí)發(fā)生誤動(dòng)作。

通常在過(guò)電流發(fā)生后,若能去除過(guò)電流因素(例如馬上與負載脫離),將會(huì )恢復其正常狀態(tài),可以再進(jìn)行正常的充放電動(dòng)作。

鋰電池保護IC的新功能

除了上述的鋰電池保護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(guò)電流保護

當連接充電器進(jìn)行充電時(shí)突然發(fā)生過(guò)電流(如充電器損壞),電路立即進(jìn)行過(guò)電流檢測,此時(shí)Cout將由高轉為低,功率MOSFET由開(kāi)轉為關(guān)斷,實(shí)現保護功能。V-(Vdet4過(guò)電流檢測電壓,Vdet4為-0.1V)=I(充電電流)×Rds(on)×2

2. 過(guò)度充電時(shí)的鎖定模式

通常保護IC在過(guò)度充電保護時(shí)將經(jīng)過(guò)一段延遲時(shí)間,然后就會(huì )將功率MOSFET關(guān)斷以達到保護的目的,當鋰電池電壓一直下降到解除點(diǎn)(過(guò)度充電滯后電壓)時(shí)就會(huì )恢復,此時(shí)又會(huì )繼續充電-保護-放電-充電-放電.這種狀態(tài)的安全性問(wèn)題將無(wú)法獲得有效解決,鋰電池將一直重復著(zhù)充電-放電-充電-放電的動(dòng)作,功率MOSFET的柵極將反復地處于高低電壓交替狀態(tài),這樣可能會(huì )使MOSFET變熱,還會(huì )降低電池壽命,因此鎖定模式很重要.假如鋰電保護電路在檢測到過(guò)度充電保護時(shí)有鎖定模式,MOSFET將不會(huì )變熱,且安全性相對提高很多。

在過(guò)度充電保護之后,只要充電器連接在電池包上,此時(shí)將進(jìn)入過(guò)充鎖定模式.此時(shí),即使鋰電池電壓下降也不會(huì )發(fā)生再充電的情形,將充電器移除并連接負載即可恢復充放電的狀態(tài)。

3. 減小保護電路組件尺寸

將過(guò)度充電和短路保護用的延遲電容集成到到保護IC里面,以減小保護電路組件尺寸

對保護IC性能的要求

1. 過(guò)度充電保護的高精度化

當鋰離子電池有過(guò)度充電狀態(tài)時(shí),為防止因溫度上升所導致的內壓上升,須截止充電狀態(tài).保護IC將檢測電池電壓,當檢測到過(guò)度充電時(shí),則過(guò)度充電檢測的功率MOSFET使之關(guān)斷而截止充電.此時(shí)應注意的是過(guò)度充電的檢測電壓的高精度化,在電池充電時(shí),使電池充電到飽滿(mǎn)的狀態(tài)是使用者很關(guān)心的問(wèn)題, 同時(shí)兼顧到安全性問(wèn)題,因此需要在達到容許電壓時(shí)截止充電狀態(tài).要同時(shí)符合這兩個(gè)條件,必須有高精度的檢測器,目前檢測器的精度為25mV,該精度將有待于進(jìn)一步提高。

2. 降低保護IC的耗電

隨著(zhù)使用時(shí)間的增加,已充過(guò)電的鋰離子電池電壓會(huì )逐漸降低,最后低到規格標準值以下,此時(shí)就需要再度充電.若未充電而繼續使用,可能造成由于過(guò)度放電而使電池不能繼續使用.為防止過(guò)度放電,保護IC必須檢測電池電壓,一旦達到過(guò)度放電檢測電壓以下,就得使放電一方的功率MOSFET 關(guān)斷而截止放電.但此時(shí)電池本身仍有自然放電及保護IC的消耗電流存在,因此需要使保護IC消耗的電流降到最低程度。

3. 過(guò)電流/短路保護需有低檢測電壓及高精度的要求

因不明原因導致短路時(shí)必須立即停止放電.過(guò)電流的檢測是以功率MOSFET的Rds(on)為感應阻抗,以監視其電壓的下降,此時(shí)的電壓若比過(guò)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)有效應用,需使該阻抗值盡量低,目前該阻抗約為 20mΩ~30mΩ,這樣過(guò)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(huì )有高壓產(chǎn)生,因此保護IC應滿(mǎn)足耐高壓的要求。

5. 低電池功耗

在保護狀態(tài)時(shí),其靜態(tài)耗電流必須要小0.1uA。

6. 零伏可充電

有些電池在存放的過(guò)程中可能因為放太久或不正常的原因導致電壓低到0V,故保護IC需要在0V時(shí)也可以實(shí)現充電。

保護IC發(fā)展展望

如前所述,未來(lái)保護IC將進(jìn)一步提高檢測電壓的精度、降低保護IC的耗電流和提高誤動(dòng)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逐漸轉向SON6封裝,將來(lái)還有CSP封裝,甚至出現COB產(chǎn)品用以滿(mǎn)足現在所強調的輕薄短小要求。

在功能方面,保護IC不需要集成所有的功能,可根據不同的鋰電池材料開(kāi)發(fā)出單一保護IC,如只有過(guò)充保護或過(guò)放保護功能,這樣可以大大減少成本及尺寸。

當然,功能組件單晶體化是不變的目標,如目前手機制造商都朝向將保護IC、充電電路以及電源管理IC等外圍電路與邏輯IC構成雙芯片的芯片組, 但目前要使功率MOSFET的開(kāi)路阻抗降低,難以與其它IC集成,即使以特殊技術(shù)制成單芯片,恐怕成本將會(huì )過(guò)高.因此,保護IC的單晶體化將需一段時(shí)間來(lái)解決。