鉅大LARGE | 點擊量：1134次 | 2021年12月30日
鋰離子電池保護(hù)電路的原理和特性要求
鋰離子電池最早出現(xiàn)的鋰離子電池來自于偉大的發(fā)明家愛迪生，使用以下反應(yīng)：Li+MnO2=LiMnO2該反應(yīng)為氧化還原反應(yīng)，放電。鋰離子電池大致可分為兩類：鋰金屬電池和鋰離子電池。具體有聚合物電池、鋰離子電池、方型鋰離子電池多種，下面我們具體來看看鋰離子電池。
鋰離子電池保護(hù)電路包括過度充電保護(hù)、過電流/短路保護(hù)和過放電保護(hù)，要求過充電保護(hù)高精密度、保護(hù)IC功耗低、高耐壓以及零伏可充電等特性。本文詳細(xì)介紹了這三種保護(hù)電路的原理、新功能和特性要求。
近年來，pDA、數(shù)字相機(jī)、手機(jī)、可攜式音訊設(shè)備和藍(lán)芽設(shè)備等越來越多的產(chǎn)品采用鋰離子電池作為重要電源。鋰離子電池具有體積小、能量密度高、無記憶效應(yīng)、循環(huán)壽命高、高電壓電池和自放電率低等優(yōu)點，與鎳鎘、鎳氫電池不太相同，鋰離子電池必須考慮充電、放電時的安全性，以防止特性劣化。針對鋰離子電池的過充、過度放電、過電流及短路保護(hù)很重要，所以通常都會在電池包內(nèi)設(shè)計保護(hù)線路用以保護(hù)鋰離子電池。
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，于是電解液分解而出現(xiàn)氣體，因內(nèi)壓上升而出現(xiàn)自燃或破裂的危險；反之，在過度放電狀態(tài)下，電解液因分解導(dǎo)致電池特性及耐久性劣化，因而降低可充電次數(shù)。
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，并防止特性劣化。鋰離子電池的保護(hù)電路是由保護(hù)IC及兩顆功率MOSFET所構(gòu)成，其中保護(hù)IC監(jiān)視電池電壓，當(dāng)有過度充電及放電狀態(tài)時切換到以外掛的功率MOSFET來保護(hù)電池，保護(hù)IC的功能有過度充電保護(hù)、過度放電保護(hù)和過電流/短路保護(hù)。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
一、過度充電保護(hù)
過度充電保護(hù)IC的原理為：當(dāng)外部充電器對鋰離子電池充電時，為防止因溫度上升所導(dǎo)致的內(nèi)壓上升，需終止充電狀態(tài)。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）即激活過度充電保護(hù)，將功率MOSFET由開轉(zhuǎn)為切斷，進(jìn)而截止充電。
另外，還必須注意因噪音所出現(xiàn)的過度充電檢出誤動作，以免判定為過充保護(hù)。因此，要設(shè)定延遲時間，并且延遲時間不能短于噪音的持續(xù)時間。
二、過度放電保護(hù)
在過度放電的情況下，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。采用鋰離子電池保護(hù)IC可以防止過度放電現(xiàn)象出現(xiàn)，實現(xiàn)電池保護(hù)功能。
過度放電保護(hù)IC原理：為了防止鋰離子電池的過度放電狀態(tài)，假設(shè)鋰離子電池接上負(fù)載，當(dāng)鋰離子電池電壓低于其過度放電電壓檢測點（假定為2.3V）時將激活過度放電保護(hù)，使功率MOSFET由開轉(zhuǎn)變?yōu)榍袛喽刂狗烹?，以防止電池過度放電現(xiàn)象出現(xiàn)，并將電池保持在低靜態(tài)電流的待機(jī)模式，此時的電流僅0.1μA.
當(dāng)鋰離子電池接上充電器，且此時鋰離子電池電壓高于過度放電電壓時，過度放電保護(hù)功能方可解除。另外，考慮到脈沖放電的情況，過放電檢測電路設(shè)有延遲時間以防止出現(xiàn)誤動作。
三、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，為確保安全，必須使其立即停止放電。
過電流保護(hù)IC原理為，當(dāng)放電電流過大或短路情況出現(xiàn)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功率MOSFET的Rds（on）當(dāng)成感應(yīng)阻抗用以監(jiān)測其電壓的下降情形，假如比所定的過電流檢測電壓還高則停止放電，運算公式為：
V-=I×Rds（on）×2（V-為過電流檢測電壓，I為放電電流）
假設(shè)V-=0.2V，Rds（on）=25mΩ，則保護(hù)電流的大小為I=4A
同樣地，過電流檢測也必須設(shè)有延遲時間以防有突發(fā)電流流入時出現(xiàn)誤動作。
通常在過電流出現(xiàn)后，若能去除過電流因素（例如馬上與負(fù)載脫離），將會恢復(fù)其正常狀態(tài)，可以再進(jìn)行正常的充放電動作。
四、鋰離子電池保護(hù)IC的新功能
除了上述的鋰離子電池保護(hù)IC功能之外，下面這些新的功能同樣值得關(guān)注：
1.充電時的過電流保護(hù)
當(dāng)連接充電器進(jìn)行充電時突然出現(xiàn)過電流（如充電器損壞），電路立即進(jìn)行過電流檢測，此時Cout將由高轉(zhuǎn)為低，功率MOSFET由開轉(zhuǎn)為切斷，實現(xiàn)保護(hù)功能。
V-=I×Rds（on）×2
（I是充電電流；Vdet4，過電流檢測電壓，Vdet4為-0.1V）
2.過度充電時的鎖定模式
通常保護(hù)IC在過度充電保護(hù)時將經(jīng)過一段延遲時間，然后就會將功率MOSFET切斷以達(dá)到保護(hù)的目的，當(dāng)鋰離子電池電壓一直下降到解除點（過度充電滯后電壓）時就會恢復(fù)，此時又會繼續(xù)充電→保護(hù)→放電→充電→放電。這種狀態(tài)的安全性問題將無法獲得有效解決，鋰離子電池將一直重復(fù)著充電→放電→充電→放電的動作，功率MOSFET的柵極將反復(fù)地處于高低電壓交替狀態(tài)，這樣可能會使MOSFET變熱，還會降低電池壽命，因此鎖定模式很重要。假如鋰電保護(hù)電路在檢測到過度充電保護(hù)時有鎖定模式，MOSFET將不會變熱，且安全性相對提高很多。
在過度充電保護(hù)之后，只要充電器連接在電池包上，此時將進(jìn)入過充鎖定模式。此時，即使鋰離子電池電壓下降也不會出現(xiàn)再充電的情形，將充電器移除并連接負(fù)載即可恢復(fù)充放電的狀態(tài)。
3.減少保護(hù)電路組件尺寸
將過度充電和短路保護(hù)用的延遲電容器整合在到保護(hù)IC里面，以減少保護(hù)電路組件尺寸。
五、對保護(hù)IC性能的要求
1.過度充電保護(hù)的高精密度化
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)。保護(hù)IC將檢測電池電壓，當(dāng)檢測到過度充電時，則過度充電檢測的功率MOSFET使之切斷而截止充電。此時應(yīng)注意的是過度充電的檢測電壓的高精密度化，在電池充電時，使電池充電到飽滿的狀態(tài)是使用者很關(guān)心的問題，同時兼顧到安全性問題，因此要在達(dá)到容許電壓時截止充電狀態(tài)。要同時符合這兩個條件，必須有高精密度的檢測器，目前檢測器的精密度為25mV，該精密度將有待于進(jìn)一步提高。
2.降低保護(hù)IC的耗電
隨著使用時間的新增，已充過電的鋰離子電池電壓會逐漸降低，最后低到規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)值以下，此時就要再度充電。若未充電而繼續(xù)使用，可能造成由于過度放電而使電池不能繼續(xù)使用。為防止過度放電，保護(hù)IC必須檢測電池電壓，一旦達(dá)到過度放電檢測電壓以下，就得使放電一方的功率MOSFET切斷而截止放電。但此時電池本身仍有自然放電及保護(hù)IC的消耗電流存在，因此要使保護(hù)IC消耗的電流降到最低程度。
3.過電流/短路保護(hù)需有低檢測電壓及高精密度的要求
因不明原因?qū)е露搪窌r必須立即停止放電。過電流的檢測是以功率MOSFET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檢測電壓還高時即停止放電。為了使功率MOSFET的Rds（on）在充電電流與放電電流時有效應(yīng)用，需使該阻抗值盡量低，目前該阻抗約為20mΩ~30mΩ，這樣過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瞬間會有高壓出現(xiàn)，因此保護(hù)IC應(yīng)滿足耐高壓的要求。
5.低電池功耗
在保護(hù)狀態(tài)時，其靜態(tài)耗電流必須要小0.1μA.
6.零伏可充電
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要在0V時也可以實現(xiàn)充電。
六、保護(hù)IC發(fā)展展望
如前所述，未來保護(hù)IC將進(jìn)一步提高檢測電壓的精密度、降低保護(hù)IC的耗電流和提高誤動作防止功能等，同時充電器連接端子的高耐壓也是研發(fā)的重點。在封裝方面，目前已由SOT23-6逐漸轉(zhuǎn)向SON6封裝，將來還有CSp封裝，甚至出現(xiàn)COB產(chǎn)品用以滿足現(xiàn)在所強(qiáng)調(diào)的輕薄短小要求。
在功能方面，保護(hù)IC不要整合所有的功能，可根據(jù)不同的鋰離子電池材料開發(fā)出單一保護(hù)IC，如只有過充保護(hù)或過放保護(hù)功能，這樣可以大幅減少成本及尺寸。
當(dāng)然，功能組件單晶體化是不變的目標(biāo)，如目前手機(jī)制造商都朝向?qū)⒈Ｗo(hù)IC、充電電路以及電源管理IC等周邊電路與邏輯IC構(gòu)成雙芯片的芯片組，但目前要使功率MOSFET的開路阻抗降低，難以與其它IC整合，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的單晶體化將需一段時間來解決。
