有關(guān)鋰電池保護IC的論述——鋰電池的守護神

近年來(lái),PDA、DSC、Cellular Phone、Camcorder、Portable Audio、Advanced Game、Assist Bicycle、Electric Scooter、Bluetooth Device…越來(lái)越多的產(chǎn)品急速的采用鋰電池來(lái)當做它的主要電源,不外乎其: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、自放電率低…等優(yōu)點(diǎn),也因為與鎳鎘、鎳氫電池不太一樣,所以必須考慮充電、放電時(shí)之安全,確保特性劣化的防止,但也因為如此,針對鋰電池的過(guò)充,過(guò)放,過(guò)電流及短路電流的保護更顯得重要,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,由此可見(jiàn)鋰電池保護IC的重要性。

鋰離子電池因能量密度高，使得難以確保電池的安全性。具體而言，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，因內壓上升而導致有發(fā)火或破裂的危機。反之，在過(guò)度放電狀態(tài)下，電解液因分解導致電池特性劣化及耐久性劣化(即充電次數降低)。

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，并防止特性的劣化。鋰離子電池的保護電路是由保護IC、及兩顆Power-MOSFET所構成。其中保護IC為監視電池電壓；當有過(guò)度充電及放電狀態(tài)時(shí)，則切換以外掛的Power-MOSFET來(lái)保護電池，保護IC的功能為: (1)過(guò)度充電保護、(2)過(guò)度放電保護、(3)過(guò)電流/短路保護。以下就這三項功能的保護動(dòng)作加以說(shuō)明。

(1) 過(guò)度充電:

當鋰電池發(fā)生過(guò)度充電時(shí),電池內電解質(zhì)會(huì )被分解,使得溫度上升并產(chǎn)生氣體,使得壓力上升而可能引起自燃或爆裂的危機,鋰電池保護IC用意就是要防止過(guò)充電的情形發(fā)生。

過(guò)度充電保護IC原理:

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,需終止充電狀況,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)及激活過(guò)充電保護,將Power MOS由ON'OFF,進(jìn)而截止充電。

另外,過(guò)充電檢出,因噪聲所產(chǎn)生的誤動(dòng)作也是必須要注意的,以免判定為過(guò)充保護,因此需要延遲時(shí)間的設定,而delay time也不能短于噪聲的時(shí)間。

(2) 過(guò)度放電:

在過(guò)度放電的情形下,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,鋰電池保護IC用以保護其過(guò)放電的狀況發(fā)生, 達成保護動(dòng)作。

過(guò)度放電保護IC原理:

為了防止鋰電池過(guò)度放電之狀態(tài),假設鋰電池接上負載,當鋰電池電壓低于其過(guò)放電電壓檢測點(diǎn)(假設設定為2.3V),將激活過(guò)放電保護,將Power MOS由ON'OFF,進(jìn)而截止放電,達成保護以避免電池過(guò)放電現象發(fā)生, 并將電池保持在低靜態(tài)電流的狀態(tài)(standby mode),此時(shí)耗電為0.1uA

當鋰電池接上充電器,且此時(shí)鋰電池電壓高于過(guò)放電電壓時(shí),過(guò)放電保護功能方可解除。

另外,為了對于脈沖放電之情形,過(guò)放偵測設有延遲時(shí)間用以預防此種誤動(dòng)作的發(fā)生。

(3) 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)電流或短路電流發(fā)生,為確保安全,使其停止放電。

電流保護IC原理:

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Power MOS的Rds(on)當成感應阻抗用以監測其電壓的下降情形,若比所定的過(guò)電流檢測電壓還高則停止放電,
公式為:

V-(過(guò)電流檢測電壓)=I(放電電流)*Rds(on)*2

假設V-=0.2V, Rds(on)=25mΩ,則保護電流的大小為I=4A

同樣的,過(guò)電流檢出也必須要設有延遲時(shí)間以防有突然的電流流入時(shí),會(huì )發(fā)生誤動(dòng)作,使其發(fā)生保護的誤動(dòng)作。

通常在過(guò)電流發(fā)生后,若能移除過(guò)電流之因素(例如:馬上與負載脫離..),就會(huì )回復其正常狀態(tài),可以再實(shí)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,現在還有一些新的功能值得我們注意,以東瑞電子所獨家代理的"Ricoh"鋰電池保護IC為例---R5426

(1) 充電時(shí),過(guò)電流之保護:

當連接充電器在充電時(shí)突然有過(guò)電流發(fā)生(充電器損壞),即發(fā)生充電時(shí)過(guò)電流檢測,此時(shí)將Cout將由High'Low,Power MOS由ON'OFF,達成保護之動(dòng)作.

V-(Vdet4過(guò)電流檢測電壓)=I(充電電流)*Rds(on)*2

注:Vdet4為-0.1V

(2) 縮短測試時(shí)間:

假設測完一片PCB所需要花的時(shí)間為1秒,那100萬(wàn)片則需要100萬(wàn)秒,非常的耗時(shí),同樣的也很沒(méi)有效率,故我們可以利用以下之功能來(lái)縮短測試時(shí)間.

(A) 當我們將R5426之DS pin open時(shí),此時(shí)delay time為規格書(shū)上所示

(B) 當我們將R5426之DS pin接VDD時(shí),此時(shí)delay time將只有1/90.

(C) 當我們將R5426之DS pin接Vim(min=1.2V,max=VDD-1.1V),此時(shí)將可忽略delay time

(3) 過(guò)充時(shí)鎖住模式(Latch):

通常保護IC在過(guò)充電保護時(shí)經(jīng)過(guò)一段延遲時(shí)間之后就會(huì )將Power MOS關(guān)掉(Cout),用以達到保護的目的,當鋰電池電壓一直下降到解除點(diǎn)(Overcharge Hysteresis Voltage)時(shí)就會(huì )回復,此時(shí)又會(huì )繼續的充電,又保護,又放電充電放電,這種情形并不是一種很好的狀況且安全性的問(wèn)題將無(wú)法有效的獲得解決.

鋰電池一直重復著(zhù)做著(zhù)充電放電充電放電的動(dòng)作, Power MOS的Gate將反復的High/Low,這樣可能會(huì )使MOSFET變熱.,也同時(shí)對于電池的壽命造成引想,由此可知Latch Mode的重要性。

假如鋰電時(shí)保護電路在偵測到過(guò)充電保護時(shí)有Latch Mode,MOSFET將不會(huì )變熱,且安全性相對的提高許多.
在偵測到過(guò)充電保護之后,只要有連接充電器在電池包上,此時(shí)之狀態(tài)及到達過(guò)充時(shí)鎖住模式,因此,雖然鋰電池的電壓一值下降,但不會(huì )發(fā)生再充電的情形.要解除這個(gè)狀況,只要將充電器移除并連接負載即可回復充放電的狀態(tài)。

(4) 縮小保護電路組件:

將過(guò)充電和短路保護用的延遲電容給內包到保護IC里面

保護IC的要求:

(A) 過(guò)度充電保護的高精化:

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)。此保護IC即檢視電池電壓，當偵測到過(guò)度充電時(shí)，則過(guò)度充電偵測的Power-MOSFET使之OFF而截止充電。此時(shí)所應注意者，就是過(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)是使用者很在意的問(wèn)題，同時(shí)，兼顧到安全性的問(wèn)題，就得在達到容許電壓時(shí)截止充電狀態(tài)。要同時(shí)符合這兩個(gè)條件，就要有非常高精度的偵測器，目前精度為25mV，但將來(lái)勢需有更精度的要求。

(B) 減低保護IC的耗電流達到過(guò)度放電保護目的:

已充過(guò)電的鋰離子電池電隨著(zhù)使用時(shí)間，電池電壓會(huì )漸減，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的話(huà)，恐就無(wú)法再充電了(過(guò)放電狀態(tài))。而為防止過(guò)放電狀態(tài)，保護IC即要偵測電池電壓的狀態(tài)，一旦到達過(guò)放電偵測電壓以下，就得使放電一方的Power-MOSFET OFF而截止放電。但此時(shí)電池本身仍有自然放電及保護IC的消費電流存在，因此需要使保護IC的耗電流降到最低的程度。

(C) 過(guò)電流/短路保護需有低偵測電壓及高精度的要求:

因不明原因導致短路而有大電流耗損時(shí)，為確保安全而使之停止放電。在過(guò)電流的偵測是以Power MOS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)電流偵測電壓還高時(shí)即停止放電。為了使Power MOS的Rds(on)在充電電流與放電電流時(shí)有效的應用，需使該阻抗值盡量低，(目前約20mΩ ~30mΩ )。如此，過(guò)電流偵測電壓就可較低。

(D) 實(shí)現耐壓值:

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因具備有"耐高壓的要求(Ricoh的保護IC即可承受到28V)

(E) 低耗電:

當到達保護時(shí),其靜態(tài)耗電流必須要小(0.1uA)

(F) 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也可以充電的動(dòng)作

保護IC功能未來(lái)發(fā)展

未來(lái)的發(fā)展將如前述，提高偵測電壓的精度、降低保護IC的耗電流及包裝、整合MOS 、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化也是開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。

包裝方面,目前已由SOT23-6漸漸的朝向SON6,將來(lái)還有CSP的Package,甚至COB產(chǎn)品的出現,用以滿(mǎn)足現在所強調的輕薄短小。

而保護IC也不是所有的功能都一定必須要用的,可根據不同的鋰電池材料開(kāi)發(fā)出單一保護(如:只有過(guò)充保護或過(guò)放保護功能),可大大的減少成本及空間,這對我們來(lái)說(shuō)可未嘗不是一件好事。

當然，功能組件單晶化是一致的目標，如目前行動(dòng)電話(huà)制造商都朝向將保護IC、充電電路、電源管理IC等外圍電路集成單芯片，與邏輯IC構成雙芯片的芯片組，但目前要使Power MOS的開(kāi)路阻抗降低，難以與其它IC合組，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的單晶化將需一段時(shí)間來(lái)解決。