鉅大LARGE | 點擊量：1869次 | 2019年11月12日
鋰電池充電保護(hù)IC原理
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)壓上升而導(dǎo)致有發(fā)火或破裂的危機(jī)。反之，在過度放電狀態(tài)下，電解液因分解導(dǎo)致電池特性劣化及耐久性劣化(即充電次數(shù)降低)。
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)時的安全性，并防止特性的劣化。鋰離子電池的保護(hù)電路是由保護(hù)IC、及兩顆power-MOSFET所構(gòu)成。其中保護(hù)IC為監(jiān)視電池電壓；當(dāng)有過度充電及放電狀態(tài)時，則切換以外掛的power-MOSFET來保護(hù)電池，保護(hù)IC的功能為:(1)過度充電保護(hù)、(2)過度放電保護(hù)、(3)過電流/短路保護(hù)。以下就這三項功能的保護(hù)動作加以說明
(1)過度充電：
當(dāng)鋰電池發(fā)生過度充電時,電池內(nèi)電解質(zhì)會被分解,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(jī),鋰電池保護(hù)IC用意就是要防止過充電的情形發(fā)生。
過度充電保護(hù)IC原理：
當(dāng)外部充電器對鋰電池充電時,為防止因溫度上升所導(dǎo)致的內(nèi)壓上升,需終止充電狀況,此時保護(hù)IC需檢測電池電壓,當(dāng)?shù)竭_(dá)4.25V時(假設(shè)電池過充點為4.25V)及激活過充電保護(hù),將powerMOS由ON'OFF,進(jìn)而截止充電。另外,過充電檢出,因噪聲所產(chǎn)生的誤動作也是必須要注意的,以免判定為過充保護(hù),因此需要延遲時間的設(shè)定,而delaytime也不能短于噪聲的時間。
(2)過度放電：
在過度放電的情形下,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,鋰電池保護(hù)IC用以保護(hù)其過放電的狀況發(fā)生,達(dá)成保護(hù)動作。
過度放電保護(hù)IC原理：為了防止鋰電池過度放電之狀態(tài),假設(shè)鋰電池接上負(fù)載,當(dāng)鋰電池電壓低于其過放電電壓檢測點(假設(shè)設(shè)定為2.3V),將激活過放電保護(hù),將powerMOS由ON'OFF,進(jìn)而截止放電,達(dá)成保護(hù)以避免電池過放電現(xiàn)象發(fā)生,并將電池保持在低靜態(tài)電流的狀態(tài)(standbymode),此時耗電為0.1uA
當(dāng)鋰電池接上充電器,且此時鋰電池電壓高于過放電電壓時,過放電保護(hù)功能方可解除。
(3)過電流及短路電流
因為不明原因(放電時或正負(fù)極遭金屬物誤觸)造成過電流或短路電流發(fā)生,為確保安全,使其停止放電。電流保護(hù)IC原理：
當(dāng)放電電流過大或短路情況發(fā)生時,保護(hù)IC將激活過(短路)電流保護(hù),此時過電流的檢測是將powerMOS的Rds(on)當(dāng)成感應(yīng)阻抗用以監(jiān)測其電壓的下降情形,若比所定的過電流檢測電壓還高則停止放電,
公式為：
V-(過電流檢測電壓)=I(放電電流)*Rds(on)*2
假設(shè)V-=0.2V,Rds(on)=25mΩ,則保護(hù)電流的大小為I=4A
同樣的,過電流檢出也必須要設(shè)有延遲時間以防有突然的電流流入時,會發(fā)生誤動作,使其發(fā)生保護(hù)的誤動作。通常在過電流發(fā)生后,若能移除過電流之因素(例如:馬上與負(fù)載脫離..),就會回復(fù)其正常狀態(tài),可以再實行正常的充放電動作
除了上述的鋰電池保護(hù)IC功能之外,現(xiàn)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(hù)IC為例---R5426
(1)充電時,過電流之保護(hù):
當(dāng)連接充電器在充電時突然有過電流發(fā)生(充電器損壞),即發(fā)生充電時過電流檢測,此時將Cout將由High'Low,powerMOS由ON'OFF,達(dá)成保護(hù)之動作。
V-(Vdet4過電流檢測電壓)=I(充電電流)*Rds(on)*2
注:Vdet4為-0.1V
(2)縮短測試時間:
假設(shè)測完一片pCB所需要花的時間為1秒,那100萬片則需要100萬秒,非常的耗時,同樣的也很沒有效率,故我們可以利用以下之功能來縮短測試時間。
(A)當(dāng)我們將R5426之DSpinopen時,此時delaytime為規(guī)格書上所示
(B)當(dāng)我們將R5426之DSpin接VDD時,此時delaytime將只有1/90.
(C)當(dāng)我們將R5426之DSpin接Vim(min=1.2V,max=VDD-1.1V),此時將可忽略delaytime
(3)過充時鎖住模式(Latch):
通常保護(hù)IC在過充電保護(hù)時經(jīng)過一段延遲時間之后就會將powerMOS關(guān)掉(Cout),用以達(dá)到保護(hù)的目的,當(dāng)鋰電池電壓一直下降到解除點(OverchargeHysteresisVoltage)時就會回復(fù),此時又會繼續(xù)的充電,又保護(hù),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題將無法有效的獲得解決。
鋰電池一直重復(fù)著做著充電放電充電放電的動作,powerMOS的Gate將反復(fù)的High/Low,這樣可能會使MOSFET變熱.,也同時對于電池的壽命造成引想,由此可知LatchMode的重要性。
(4)縮小保護(hù)電路組件:將過充電和短路保護(hù)用的延遲電容給內(nèi)包到保護(hù)IC里面
保護(hù)IC的要求:
(A)過度充電保護(hù)的高精化:
當(dāng)鋰離子電池有過度充電狀態(tài)時，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)。此保護(hù)IC即檢視電池電壓，當(dāng)偵測到過度充電時，則過度充電偵測的power-MOSFET使之OFF而截止充電。此時所應(yīng)注意者，就是過度充電的檢測電壓的高精度化，在電池充電時，使電池充電到飽滿的狀態(tài)是使用者很在意的問題，同時，兼顧到安全性的問題，就得在達(dá)到容許電壓時截止充電狀態(tài)。要同時符合這兩個條件，就要有非常高精度的偵測器，目前精度為25mV，但將來勢需有更精度的要求。
(B)減低保護(hù)IC的耗電流達(dá)到過度放電保護(hù)目的:
已充過電的鋰離子電池電隨著使用時間，電池電壓會漸減，最后低到規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)值以下。此時就需要再度充電。若未充電而繼續(xù)使用的話，恐就無法再充電了(過放電狀態(tài))。而為防止過放電狀態(tài)，保護(hù)IC即要偵測電池電壓的狀態(tài)，一旦到達(dá)過放電偵測電壓以下，就得使放電一方的power-MOSFETOFF而截止放電。但此時電池本身仍有自然放電及保護(hù)IC的消費電流存在，因此需要使保護(hù)IC的耗電流降到最低的程度。
(C)過電流/短路保護(hù)需有低偵測電壓及高精度的要求:
因不明原因?qū)е露搪范写箅娏骱膿p時，為確保安全而使之停止放電。在過電流的偵測是以powerMOS的Rds(on)為感應(yīng)阻抗，以監(jiān)視其電壓的下降，此時的電壓若比過電流偵測電壓還高時即停止放電。為了使powerMOS的Rds(on)在充電電流與放電電流時有效的應(yīng)用，需使該阻抗值盡量低，(目前約20mΩ~30mΩ)。如此，過電流偵測電壓就可較低。
(D)實現(xiàn)耐壓值:
電池包與充電器連接時瞬間會有高壓產(chǎn)生,因此保護(hù)IC因具備有"耐高壓的要求(Ricoh的保護(hù)IC即可承受到28V)
(E)低耗電:
當(dāng)?shù)竭_(dá)保護(hù)時,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程中可能因為放太久或不正常的原因?qū)е码妷旱偷?V,故保護(hù)IC需要在0V也可以充電的動作保護(hù)IC功能未來發(fā)展
未來的發(fā)展將如前述，提高偵測電壓的精度、降低保護(hù)IC的耗電流及包裝、整合MOS、提高誤動作防止功能等，同時充電器連接端子的高耐壓化也是開發(fā)的重點。
包裝方面,目前已由SOT23-6漸漸的朝向SON6,將來還有CSp的package,甚至COB產(chǎn)品的出現(xiàn),用以滿足現(xiàn)在所強(qiáng)調(diào)的輕薄短小，而保護(hù)IC也不是所有的功能都一定必須要用的,可根據(jù)不同的鋰電池材料開發(fā)出單一保護(hù)(如:只有過充保護(hù)或過放保護(hù)功能),可大大的減少成本及空間,這對我們來說可未嘗不是一件好事.
當(dāng)然，功能組件單晶化是一致的目標(biāo)，如目前行動電話制造商都朝向?qū)⒈Ｗo(hù)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(gòu)成雙芯片的芯片組，但目前要使powerMOS的開路阻抗降低，難以與其它IC合組，即使以特殊技術(shù)制成單芯片，恐怕成本將會過高，因此，保護(hù)IC的單晶化將需一段時間來解決。
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