與鎳鎘、鎳氫電池不太一樣,鋰電池必須考慮充電、放電時

1、與鎳鎘 鐮氫電池不太一樣，鋰電池必須考慮充電、放電時的安全性，以防止特 性劣化針對鋰電池的過充 過放 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)鋰電池. 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)高精度、保護(hù)IC功耗低、高耐壓以及零伏可充電等特性. 鋰離子電池的保護(hù)電路是由保護(hù)IC及兩顆功率MOSFE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MOSFE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)過度充電保護(hù) 過度充電保護(hù)IC的原理為：當(dāng)外部充電器對鋰電池充電時，為

2、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)4.2V時 （假設(shè)電池過充點(diǎn)為4.2V）即激活過度充電保護(hù)，將功率M0殆開轉(zhuǎn)為關(guān)斷，進(jìn)而截 止充電. 另外，還必須注意因噪聲所產(chǎn)生的過度充電檢出誤動作，以免判定為過充保 護(hù)因此，需要設(shè)定延遲時間，并且延遲時間不能短于噪聲的持續(xù)時間如果你的鋰電池 在充滿后，放在充電器上也是白充。而我們誰都無法保證電池的充放電保護(hù)電路的特性 永不變化和質(zhì)量的萬無一失，所以你的電池將長期處在危險的邊 緣徘徊。這也是我們反對長充電的另一個理由。 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

3、用鋰電池保護(hù)IC可以避免過度放電現(xiàn)象發(fā)生，實(shí)現(xiàn)電池保護(hù)功能過度放電保護(hù)IC 原理：為了防止鋰電池的過度放電狀態(tài)，假設(shè)鋰電池接上負(fù)載，當(dāng)鋰電池電壓低于其過 度放電電壓檢測點(diǎn)（假定為2.3V）時將激活過度放電保護(hù)，使功率MOSFE由開轉(zhuǎn) 變?yōu)殛P(guān)斷而截止放電，以避免電池過度放電現(xiàn)象發(fā)生，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0.1 uA. 當(dāng)鋰電池接上充電器，且此時鋰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)有延遲時間以避免發(fā)生誤動 作 過電流及短路電流因?yàn)椴幻髟颍ǚ烹姇r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

4、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功率MOSFET勺Rds （on）當(dāng)成感應(yīng)阻抗用以 監(jiān)測其電壓的下降情形，如果比所定的過電流檢測電壓還高則停止放電，計算公 式 為：v-=l x Rds （o n） X2 （V-為過電流檢測電壓，1為放電電流）假設(shè)V- =0.2V,Rds （on） =25m Q，則保護(hù)電流的大小為l=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)電流流入時發(fā)生誤動作通常在 過電流發(fā)生后，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.

5、 除了上述的鋰電池保護(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)行充電時突然發(fā)生過電流（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MOSFE由開轉(zhuǎn)為關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能. 2/14 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，因此需要在達(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(hù)IC的耗電 隨著使用時間的增加，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，此時就需要再度充電若

6、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MOSFE咲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，因此需要使保護(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MOSFE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MOSFE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20m

7、Q 30mQ ,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產(chǎn)生，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0.1 uA. 6. 零伏可充電 有些電池在存放的過程中可能因?yàn)榉盘没虿徽５脑驅(qū)е码妷旱偷?V,故保 護(hù)IC需要在0V時也可以實(shí)現(xiàn)充電. 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(diǎn). 在封裝方面，目前已由SOT23-6逐漸轉(zhuǎn)向S0N6封裝，將來還有CSP封裝，甚至出現(xiàn) CO嚴(yán)品用以滿足現(xiàn)在所強(qiáng)調(diào)

8、的輕薄短小要求. 在功能方面，保護(hù)IC不需要集成所有的功能，可根據(jù)不同的鋰電池材料開發(fā)出單一保 護(hù)IC,如只有過充保護(hù)或過放保護(hù)功能，這樣可以大大減少成本及尺寸. 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等外圍電路與邏輯IC構(gòu)成雙芯片的芯片組，但目前要使功 率MOSFE 的開路阻抗降低，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 過高因此，保護(hù)IC的單晶體化將需一段時間來解決 b5E2RGbCAP F頁中的電路圖為一個典型的鋰離子電池保護(hù)電路原理圖。 鋰離子電也保護(hù)電路圖 如圖中所 10/14 示，該保護(hù)回路由兩個MOSFE

9、TV1、V2)和一個控制IC (N1)外加一些阻容元 件構(gòu)成?？刂艻C負(fù)責(zé)監(jiān)測電池電壓與回路電流，并控制兩個MOSFE的柵極， MOSFE在電路中起開關(guān)作用，分別控制著充電回路與放電回路的導(dǎo)通與關(guān)斷， C3 為延時電容，該電路具有過充電保護(hù)、過放電保護(hù)、過電流保護(hù)與短路保護(hù)功能，其 工作原理分析如下： 1、正常狀態(tài) 在正常狀態(tài)下電路中N1的“CO與“DO腳都輸出高電壓，兩個MOSFE嘟處于導(dǎo) 通狀態(tài)，電池可以自由地進(jìn)行充電和放電，由于MOSFET勺導(dǎo)通阻抗很小， 通常小于30毫歐，因此其導(dǎo)通電阻對電路的性能影響很小。此狀態(tài)下保護(hù)電路的消 耗電流為a A級，通常小于7 a Ao plEanqFD

10、Pw 2、過充電保護(hù) 鋰離子電池要求的充電方式為恒流/恒壓，在充電初期，為恒流充電，隨著充電過程， 電壓會上升到4.2V （根據(jù)正極材料不同，有的電池要求恒壓值為4.1 V）,轉(zhuǎn)為恒壓充 電，直至電流越來越小。 電池在被充電過程中，如果充電器電路失去控制，會使電池電壓超過 4.2V后繼 續(xù)恒流充電，此時電池電壓仍會繼續(xù)上升，當(dāng)電池電壓被充電至超過 4.3V 時， 電池的化學(xué)副反應(yīng)將加劇，會導(dǎo)致電池?fù)p壞或出現(xiàn)安全問題。 在帶有保護(hù)電路的電池中，當(dāng)控制IC檢測到電池電壓達(dá)到4.28V （該值由控制 IC決定，不同的IC有不同的值）時，其“ CO腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷?，?V2由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而

11、切斷了充電回路，使充電器無法再對電池進(jìn)行充電， 起到過充電保護(hù)作用。而此時由于V2自帶的體二極管VD2的存在，電池可以通過該 二極管對外部負(fù)載進(jìn)行放電。 在控制IC檢測到電池電壓超過4.28V至發(fā)出關(guān)斷72信號之間，還有一段延時時 間，該延時時間的長短由C3決定，通常設(shè)為1秒左右，以避免因干擾而造成誤 判斷 O DXDiTa9E3d 3、過放電保護(hù) 電池在對外部負(fù)載放電過程中，其電壓會隨著放電過程逐漸降低，當(dāng)電池電壓降至 2.5V時，其容量已被完全放光，此時如果讓電池繼續(xù)對負(fù)載放電，將造成電池的永久 性損壞。 在電池放電過程中，當(dāng)控制IC檢測到電池電壓低于2.3V （該值由控制IC決定，不同

12、的IC有不同的值）時，其“ DO腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷?，使V1由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān) 斷，從而切斷了放電回路，使電池?zé)o法再對負(fù)載進(jìn)行放電，起到過放電保護(hù)作用。而 此時由于V1自帶的體二極管VD1的存在，充電器可以通過該二極管對電池進(jìn)行充 電。 由于在過放電保護(hù)狀態(tài)下電池電壓不能再降低，因此要求保護(hù)電路的消耗電流極 小，此時控制IC會進(jìn)入低功耗狀態(tài)，整個保護(hù)電路耗電會小于0.1 AAo 在控制IC檢測到電池電壓低于2.3V至發(fā)出關(guān)斷V1信號之間，也有一段延時時 間， 該延時時間的長短由C3決定，通常設(shè)為100毫秒左右，以避免因干擾而造成誤判 斷 O RTCrpUDGiT 4、過電流保護(hù) 由于鋰離子電池的

13、化學(xué)特性，電池生產(chǎn)廠家規(guī)定了其放電電流最大不能超過2C （。=電池容量/小時），當(dāng)電池超過2C電流放電時，將會導(dǎo)致電池的永久性損壞或 出現(xiàn)安全問題。 電池在對負(fù)載正常放電過程中，放電電流在經(jīng)過串聯(lián)的 2個MOSFE時，由于 MOSFE的導(dǎo)通阻抗，會在其兩端產(chǎn)生一個電壓，該電壓值 U=FRDSRDS為 單個MOSFE導(dǎo)通阻抗，控制IC上的“V腳對該電壓值進(jìn)行檢測，若負(fù)載因某種原 因?qū)е庐惓?，使回路電流增大，?dāng)回路電流大到使U0.1V （該值由控制IC決定，不 同的IC有不同的值）時，其u DO腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷?，使V1由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為 關(guān)斷，從而切斷了放電回路，使回路中電流為零，起到過電流保護(hù)作用。在控制IC 檢測到過電流發(fā)生至發(fā)出關(guān)斷V1信號之間，也有一段延時時間，該延 時時間的長短 由C3決定，通常為13毫秒左右，以避免因干擾而造成誤判斷。 在上述控制過程中可知，其過電流檢測值大小不僅取決于控制IC的控制值，還取 決于MOSFE的導(dǎo)通阻抗，當(dāng)MOSFET導(dǎo)通阻抗越大時，對同樣的控制IC,其過電 流保護(hù)值越小。5PCZVD7HXA 5、短路保護(hù) 電池在對負(fù)載放電過