鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：1111次 | 2020年03月18日
鋰離子電池充電保護(hù)集成電路UCC3957分析
一、鋰離子電池特點(diǎn)
鋰離子電池與其他電池相比，重要有以下優(yōu)點(diǎn)。
1．電壓高
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。
2．容量大
能量高、儲(chǔ)存能量密度大，是鋰離子電池的核心價(jià)值所在，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%。
3．放電率
鋰離子電池的充電速度較快，僅要1~2小時(shí)（h）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)，相同能發(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%。
4．鋰離子電池沒有"記憶效應(yīng)"，所以鋰離子電池可以在未完全放電的條件下充電而不會(huì)降低其容量。但是假如鋰離子電池已充足電還要繼續(xù)充電（過充電），則會(huì)損壞電池,鋰離子電池是目前應(yīng)用非常廣泛的可充電電池。
二、鋰離子電池的充電特性
鋰離子電池在充電過程中，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，比質(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)按時(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充電。要指出的是；鋰離子電池不要涓流充電。
三、UCC3957的重要特點(diǎn)
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)過電流保護(hù)，假如達(dá)到第一級(jí)過電流閥值電位時(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，假如第一級(jí)保護(hù)時(shí)間到，電池過充、放電故障仍未排除，外接保護(hù)按時(shí)電容放電MOSFET以17倍于第一級(jí)保護(hù)時(shí)間關(guān)斷，執(zhí)行第二級(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3.5μA，典型工作電流為30μA，直流工作電壓范圍為6.5∽20V，充電過電流保護(hù)延時(shí)時(shí)間可通過調(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)電池過放電和過充電，并保護(hù)電池組及UCC3957集成電路本身。
3.1UCC3957的工作原理框圖與引腳功能
UCC3957的工作原理框圖如圖2所示。
由圖2可見，利用UCC3957內(nèi)部的工作狀態(tài)選擇器可以選擇UCC3957的工作狀態(tài)，當(dāng)工作于持續(xù)工作狀態(tài)時(shí)可以保護(hù)每一節(jié)鋰離子電池，使其免于過充電和過放電。而過電流控制器則用于保護(hù)電池組不致出現(xiàn)過大的放電電流，而損壞電池組。
為配合不同廠家生產(chǎn)的鋰離子電池，UCC3957系列集成電路有表1所示的4種不同的過電壓保護(hù)門限值。
表1UCC3957-X的過電壓保護(hù)門限值（V）
UCC3957的引腳圖如圖3所示。
UCC3957的各引腳功能如下：
引腳1VDD：該引腳為UCC3957的電源供電輸入引腳，輸入電壓范圍為6.5~20V，與電池組的高電位端連接。
引腳2CLCNT：該引腳為設(shè)定UCC3957工作在三節(jié)或四節(jié)電池充電工作狀態(tài)的引腳。
引腳3WU：該引腳為當(dāng)UCC3957處于休眠工作狀態(tài)時(shí)，在此腳加信號(hào)可喚醒UCC3957進(jìn)入正常工作狀態(tài)，此引腳應(yīng)接到N溝道電平轉(zhuǎn)移MOSFET晶體管的漏極。
引腳4AN1：該引腳為與最高電位的第1節(jié)電池的負(fù)極及第2節(jié)電池正極相連的引腳。
引腳5AN2：該引腳為最高電位的第2節(jié)電池的負(fù)極及第3節(jié)電池正極相連的引腳。
引腳6AN3：該引腳為最低電位的第3節(jié)電池的負(fù)極及第4節(jié)電池正極相連的引腳，當(dāng)只有3節(jié)電池時(shí)與電池組的低電位端及AN4引腳相連。
引腳7和11引腳AN4：該引腳與電池組的低電位端相連，并和電流檢測(cè)電阻的高電位端連接。
引腳8BATLO：該引腳為與電池組的負(fù)電位端連接的引腳，同時(shí)和電流檢測(cè)電阻的低電位端相連接。
引腳9CHGEN：該引腳為充電使能引腳，該引腳為高電平時(shí)電池組開始充電。
引腳10CDLY1：該引腳為短路保護(hù)的延遲時(shí)間控制引腳，在該引腳與AN4引腳間連接電容的數(shù)值決定過電流的時(shí)間，當(dāng)過電流時(shí)控制放電MOSFET晶體管的關(guān)斷時(shí)間，電容的數(shù)值也決定打嗝兒過電流保護(hù)的時(shí)間。
引腳12CHG：該引腳為連接外接可控制N溝道MOSFET晶體管的引腳，而該外接N溝道MOSFET晶體管又可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)外接p溝道MOSFET管，假如有任一節(jié)電池電壓高于過電壓保護(hù)閥值電位，則該引腳相對(duì)AN4引腳被置低電位；只有當(dāng)所有被充電的單節(jié)電池電壓低于該閥值電位，則該引腳置高電位。
引腳13DCHG：該引腳為用于預(yù)防電池過放電的引腳。假如UCC3957內(nèi)部的工作狀態(tài)檢測(cè)器判斷到任一節(jié)電池處于欠電壓狀態(tài)，則引腳DCHG被置高電位以使外部放電p溝道MOSFET晶體管關(guān)斷，但當(dāng)所有電池的電壓高于最低閥值電位時(shí)，引腳DCHG被置低電位。
引腳14CDLY2：該引腳與AN4引腳之間接一只電容，以延長(zhǎng)第二級(jí)過電流保護(hù)的保護(hù)設(shè)按時(shí)間。
引腳15AVDD：該引腳與為內(nèi)部模擬電路電源的供電引腳，通過0.1μF電容與AN4引腳相連，正常工作電壓為7.3V。
引腳16DVDD：該引腳與為內(nèi)部數(shù)字電路電源的供電引腳，通過0.1μF電容與AN4引腳相連，正常工作電壓為7.3V。
四、UCC3957的工作原理與典型應(yīng)用電路
4.1UCC3957的工作原理
UCC3957可以對(duì)3節(jié)或4節(jié)鋰離子電池組供應(yīng)防止電池過充電、過放電及過電流充、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。
下面以圖4為例，介紹其采用UCC3957的4節(jié)鋰離子電池充電保護(hù)電路特點(diǎn)。
1．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。
2．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16DVDD，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。
3．欠電壓保護(hù)
當(dāng)檢測(cè)到任一節(jié)電池處于過放電狀態(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只MOSFET晶體管，使UCC3957進(jìn)入休眠工作模式，此時(shí)UCC3957的耗電僅為3.5μA，只有當(dāng)引腳3WU的電壓升到1VDD后，UCC3957退出休眠工作模式。
4．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16DVDD，充電FET晶體管VT1導(dǎo)通，電池組充電。但是假如引腳9CHGEN開路或連到引腳7AN4，則充電FET晶體管VT1關(guān)斷。充電期間，假如UCC3957處于休眠工作模式，則放電FET晶體管VT2仍然關(guān)斷，充電電流流過放電FET晶體管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晶體管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。
5．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。假如和電池連接的引腳4AN1、5AN2或6AN3連接不正常、斷連接，UCC3957可以檢測(cè)到并可預(yù)防電池組過充壓。
6．過電壓保護(hù)與智能放電特性
假如某一電池充電電壓超過正常過充電閥值電位，則充電FET晶體管VT1關(guān)斷，以防止電池過充電。關(guān)斷一直保持到該電池電壓降低到過充電閥值電位。在大多數(shù)保護(hù)電路設(shè)計(jì)中，在該過電壓保護(hù)帶（在正常值∽過充電閥值之間，或反之，在過充電閥值∽正常值之間），充電FET晶體管VT1一直處于保護(hù)的完全關(guān)斷工作狀態(tài)，此時(shí)放電電流必須通過充電FET晶體管VT1的體二極管，該二極管的壓降高達(dá)1V，從而在充電FET晶體管VT1內(nèi)出現(xiàn)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晶體管VT1對(duì)放電電流導(dǎo)通（僅對(duì)放電而言）而仍然處于過電壓回差范圍之內(nèi)。這樣就大大減少了充電FET晶體管VT1上的功耗。這一措施是通過采樣流經(jīng)電流檢測(cè)電阻RSENES上的電壓降來(lái)完成的，假如這個(gè)電壓降超過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晶體管VT1再次導(dǎo)通。此例中，若20mW的FET晶體管，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。
7．過電流保護(hù)
UCC3957采用二級(jí)過電流保護(hù)模式保護(hù)電池組的過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）上的電壓降超過某一閥值電位時(shí)，過電流保護(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晶體管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)過電流保護(hù)既可對(duì)短路供應(yīng)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電流誤保護(hù)動(dòng)作。
第一級(jí)過電流保護(hù)閥值電位為150mV，對(duì)應(yīng)0.025Ω的電流檢測(cè)電阻，過電流閥值為6A。假如峰值放電電流持續(xù)時(shí)間超過該值所設(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)過電流閥值電位為375mV，對(duì)應(yīng)0.025Ω電流檢測(cè)電阻，過電流閥值為15A。假如峰值放電電流超過該電位值所設(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晶體管VT2上的功耗，從而降低了對(duì)FET晶體管VT2的使用要求。
當(dāng)CDLY1=0.022μF時(shí)，則對(duì)應(yīng)第一級(jí)過電流的（當(dāng)電流大于6A而小于15A時(shí)）導(dǎo)通時(shí)間tON大約為大約10ms，關(guān)斷時(shí)間tOFF大約為160ms，占空比為5.9%；當(dāng)電流超過15A時(shí)假如不用CDLY2，則第二級(jí)過電流保護(hù)的占空比為0.1%；假如CDLY2取22pF時(shí)，則對(duì)應(yīng)的導(dǎo)通時(shí)間為800μs，占空比為0.5%。
4.2UCC3957的典型應(yīng)用電路
采用UCC3957的4節(jié)電池組的典型保護(hù)電路如圖4所示。
圖4中，VR1和R2用于當(dāng)充電器開路充電電壓過高時(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)出現(xiàn)一個(gè)電壓的負(fù)突變；這一負(fù)突變會(huì)超過放電FET晶體管VT2的耐壓值，這一負(fù)突變也會(huì)損壞UCC3597。圖4中的VD1對(duì)這一負(fù)突變箝位以保護(hù)放電FET晶體管VT2，C5應(yīng)直接置于電池組的頂端和底端。
由于當(dāng)放電過電流保護(hù)時(shí)，放電FET晶體管VT2出現(xiàn)的負(fù)電壓過充電與的大小有關(guān)，而與放電FET晶體管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4中用R3、C5、R4來(lái)控制的大小。
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