鋰電池保護電路綜述

近年來，PDA、數(shù)字相機、手機、可攜式音訊設(shè)備和藍芽設(shè)備等越來越多的產(chǎn)品采用鋰電池作為主要電源。鋰電池具有體積小、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、過度放電、過電流及短路保護很重要，所以通常都會在電池包內(nèi)設(shè)計保護線路用以保護鋰電池。

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，于是電解液分解而產(chǎn)生氣體，因內(nèi)壓上升而產(chǎn)生自燃或破裂的危險；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。鋰離子電池的保護電路是由保護IC及兩顆功率MOSFET所構(gòu)成，其中保護IC監(jiān)視電池電壓，當有過度充電及放電狀態(tài)時切換到以外掛的功率MOSFET來保護電池，保護IC的功能有過度充電保護、過度放電保護和過電流／短路保護。



一、過度充電保護
過度充電保護IC的原理為：當外部充電器對鋰電池充電時，為防止因溫度上升所導致的內(nèi)壓上升，需終止充電狀態(tài)。此時，保護IC需檢測電池電壓，當?shù)竭_4.25V時（假設(shè)電池過充點為4.25V）即激活過度充電保護，將功率MOSFET由開轉(zhuǎn)為切斷，進而截止充電。

另外，還必須注意因噪音所產(chǎn)生的過度充電檢出誤動作，以免判定為過充保護。因此，需要設(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
在過度放電的情況下，電解液因分解而導致電池特性劣化，并造成充電次數(shù)的降低。采用鋰電池保護IC可以避免過度放電現(xiàn)象產(chǎn)生，實現(xiàn)電池保護功能。

過度放電保護IC原理：為了防止鋰電池的過度放電狀態(tài)，假設(shè)鋰電池接上負載，當鋰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，使功率MOSFET由開轉(zhuǎn)變?yōu)榍袛喽刂狗烹?，以避免電池過度放電現(xiàn)象產(chǎn)生，并將電池保持在低靜態(tài)電流的待機模式，此時的電流僅0.1μA。

當鋰電池接上充電器，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)有延遲時間以避免產(chǎn)生誤動作。

三、過電流及短路電流
因為不明原因（放電時或正負極遭金屬物誤觸）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IC原理為，當放電電流過大或短路情況產(chǎn)生時，保護IC將激活過（短路）電流保護，此時過電流的檢測是將功率MOSFET的Rds(on) 當成感應(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，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)電流流入時產(chǎn)生誤動作。

通常在過電流產(chǎn)生后，若能去除過電流因素（例如馬上與負載脫離），將會恢復(fù)其正常狀態(tài)，可以再進行正常的充放電動作。

四、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，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
當連接充電器進行充電時突然產(chǎn)生過電流（如充電器損壞），電路立即進行過電流檢測，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IC在過度充電保護時將經(jīng)過一段延遲時間，然后就會將功率MOSFET切斷以達到保護的目的，當鋰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→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。假如鋰電保護電路在檢測到過度充電保護時有鎖定模式，MOSFET將不會變熱，且安全性相對提高很多。

在過度充電保護之后，只要充電器連接在電池包上，此時將進入過充鎖定模式。此時，即使鋰電池電壓下降也不會產(chǎn)生再充電的情形，將充電器移除并連接負載即可恢復(fù)充放電的狀態(tài)。

3.減少保護電路組件尺寸

將過度充電和短路保護用的延遲電容器整合在到保護IC里面，以減少保護電路組件尺寸。

五、對保護IC性能的要求
1.過度充電保護的高精密度化

當鋰離子電池有過度充電狀態(tài)時，為防止因溫度上升所導致的內(nèi)壓上升，須截止充電狀態(tài)。保護IC將檢測電池電壓，當檢測到過度充電時，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，因此需要在達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一步提高。

2.降低保護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)格標準值以下，此時就需要再度充電。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IC必須檢測電池電壓，一旦達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IC的消耗電流存在，因此需要使保護IC消耗的電流降到最低程度。



3.過電流／短路保護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產(chǎn)生，因此保護IC應(yīng)滿足耐高壓的要求。

5.低電池功耗

在保護狀態(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IC需要在0V時也可以實現(xiàn)充電。

六、保護IC發(fā)展展望
如前所述，未來保護IC將進一步提高檢測電壓的精密度、降低保護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)在所強調(diào)的輕薄短小要求。

在功能方面，保護IC不需要整合所有的功能，可根據(jù)不同的鋰電池材料開發(fā)出單一保護IC，如只有過充保護或過放保護功能，這樣可以大幅減少成本及尺寸。

當然，功能組件單晶體化是不變的目標，如目前手機制造商都朝向?qū)⒈ＷoIC、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IC的單晶體化將需一段時間來解決。