便攜式消費(fèi)電子產(chǎn)品中的鋰電池保護(hù)

隨著設(shè)計(jì)時(shí)尚且外形較薄的便攜式消費(fèi)電子產(chǎn)品，比如智能手機(jī)、平板電腦和其它先進(jìn)的手持式電子產(chǎn)品變得日益普及，鋰離子(Li-ion) 和鋰聚合物 (LiP) 電池 (統(tǒng)稱為鋰電池)，已經(jīng)成為這些應(yīng)用“必須采用”的電源。隨著用于消費(fèi)產(chǎn)品的電池技術(shù)和外形尺寸突破了傳統(tǒng)的圓柱形電池，鋰電池因其高能量密度、小外形尺寸和設(shè)計(jì)靈活性而需求不斷增長(zhǎng)。這些電池需要更小的電路保護(hù)器件，在更薄且更緊湊的低側(cè)高便攜產(chǎn)品中提供強(qiáng)大的保護(hù)功能。

　　1 保護(hù)需求

　　鋰電池組對(duì)于外部短路、充電失控情況和濫用過充所引起的故障非常敏感，這些故障可能造成具有破壞性的過流和過熱情況。此外，UL、IEC和IEEE等機(jī)構(gòu)針對(duì)鋰離子和鋰聚合物電池組制定了強(qiáng)制執(zhí)行的安全規(guī)范和既定測(cè)試要求，以證實(shí)它們能夠抵御短路和過充事件。

　　過充電、深度放電或短路情況可能產(chǎn)生熱量而導(dǎo)致鋰電池芯膨脹、破裂或可能起火。雖然電池芯內(nèi)部的故障不太普遍，但提供電池過熱或過充保護(hù)及欠壓或過壓保護(hù)的電池組保護(hù)電路發(fā)生故障便可能引起熱失控，有可能產(chǎn)生災(zāi)難性故障。這些電子設(shè)備通常含有保護(hù)控制模塊(Protection Control Module,PCM)，保護(hù)模塊可能包含電量計(jì)、充電控制或者一個(gè)IC和FET器件，因此多電池芯構(gòu)成的電池組需要多級(jí)保護(hù)。

　　不同化學(xué)特性的電池需要特定的充電曲線來優(yōu)化性能并最大限度地減小潛在的危害。如果這一特性曲線沒有滿足，則可能發(fā)生過充情況。過流或過壓情況或者兩者的結(jié)合，都可能導(dǎo)致電池芯的過充。如果充電電流或電壓超過規(guī)定值，電池溫度便可能急劇升高。在典型的過充故障中，當(dāng)過大電壓加在完全充電的電池芯上，電池芯的溫度便會(huì)上升，導(dǎo)致電池芯內(nèi)部的化學(xué)性能衰退。

　　2 PolySwitchPPTC器件

　　低溫PolySwitchPPTC(正溫度系數(shù)聚合物)器件特別適用于限制充電電流不超過電池組的正常工作溫度。該器件的可復(fù)位功能可確保因?yàn)楸┞队诟叽鎯?chǔ)溫度而引起的誤動(dòng)作 (如在大熱天將手機(jī)留在車中) 而不會(huì)使電池組永久失效，而且，由于電池組可能遇到的大多數(shù)故障情況相對(duì)少見，或者只是偶發(fā)事件，因此可復(fù)位保護(hù)通常是首選方法。

　　鋰電池組通常包括能夠檢測(cè)和實(shí)施過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過熱保護(hù)和過流保護(hù)的IC，IC和MOSFET用作主要的電池保護(hù)，連同電量計(jì)來跟蹤電池容量、充電狀態(tài)(百分比)、用完時(shí)間(分鐘)、電池電壓(mV)和溫度。

　　PolySwitchPPTC器件與電池串連，如果控制電路發(fā)生故障便可提供二級(jí)保護(hù)。雖然半導(dǎo)體電路被認(rèn)為是可靠的，但在有些情況下，包括過高的靜電放電、短路狀態(tài)下的高溫或振蕩，主要保護(hù)電路可能會(huì)發(fā)生故障。這時(shí)，PolySwitch PPTC器件能幫助提供充電和放電時(shí)的電池過熱保護(hù)，以及多重過流保護(hù)。如果電路中加入了PolySwitch PPTC器件，隨著電池溫度上升，PPTC周圍溫度相應(yīng)上升，較小的電流就會(huì)觸發(fā)PPTC的保護(hù)功能。

　　PolySwitch PPTC器件具有低電阻特性，有助于滿足電池組的低電阻需求，在發(fā)生過充電的情況下，其低動(dòng)作溫度有助于防止電池的熱失控。PolySwitch PPTC可復(fù)位器件具有各種外形尺寸和額定電流，以及從85℃ 至125℃的一系列熱保護(hù)溫度。

　　PolySwitch 帶狀產(chǎn)品

　　PolySwitch PPTC 帶狀產(chǎn)品包括SRP、LR4、VTP、VLR、VLP、MGP和MXP系列，這些器件能夠安裝在圓柱形電池組、方形電池，甚至軟包裝電池中，能夠應(yīng)用于特定化學(xué)性或使用規(guī)范的電池。PPTC “帶狀”器件被設(shè)計(jì)成具有標(biāo)簽一樣的扁平外形，被便于使用點(diǎn)焊方式連接到電池芯或電池組的條帶上(圖1)。

　　PolySwitch PPTC表面貼裝器件

　　PolySwitch PPTC表面貼裝產(chǎn)品體積小，有助于節(jié)省電路板空間和降低成本，非常適合空間受限的電池保護(hù)板應(yīng)用。例如，miniSMDxxxx和miniSMDxxxLR (低電阻)器件具有薄和小外形尺寸，可以使用回流焊工藝。盡管多數(shù)表面貼裝PPTC器件都已經(jīng)具備低電阻，但這些miniSMDxxxLR器件能提供更低的電阻，有助于維持系統(tǒng)的低電阻。

　　PolySwitch PPTC 圓環(huán)器件

　　PolySwitch PPTC環(huán)狀器件是使用PTC材料制造的圓環(huán)，可以放入Li-ion 18650圓柱形狀電池頭部，在電池芯裝配之前的運(yùn)輸和搬運(yùn)期間保護(hù)電池芯。這些環(huán)狀器件還可為AA和AAA尺寸的非充電電池提供保護(hù)，而這些電池可以單獨(dú)銷售予消費(fèi)者使用。

　　PolySwitch PPTC L型帶狀器件

　　PolySwitch PPTC L型帶狀器件為鋰電池應(yīng)用提供一個(gè)可點(diǎn)焊及可回流焊方案，在室溫下的工作電流高達(dá)4A，適用于高性能平板電腦。此外，它們還具有超低電阻，有助于維持系統(tǒng)低電阻。將保護(hù)電路放置在接近電池芯的地方，能夠減少較長(zhǎng)的金屬連接片，有助于提升熱感測(cè)性能。

　　L-Tab器件可以通過回流焊焊接到電池PCM上，該器件的L形狀一端可以直接點(diǎn)焊到電池芯的電極上，從而節(jié)省成本。此外，當(dāng)折疊PCM以放入電池組時(shí)，其L形狀有助于減少生產(chǎn)流程。

　　3 具有熱保護(hù)功能的金屬混合PPTC器件 (MHP-TA)

　　MHP-TA(熱保護(hù))系列MHP (金屬混合PPTC)器件為較高能量鋰聚合物電池組提供了創(chuàng)新性的節(jié)省空間解決方案，這些超薄、可復(fù)位熱關(guān)斷(TCO)器件包括一個(gè)與雙金屬片斷路器并聯(lián)的PPTC器件。它們?cè)?2 C°至90C°溫度下進(jìn)行熱保護(hù)，同時(shí)采用小型SMD封裝，提供高耐壓和低保持電流。MHP-TA器件的優(yōu)勢(shì)包括極低的電阻、熱關(guān)斷能力并提供閉鎖保護(hù)，以及復(fù)位能力。由于內(nèi)置PPTC在故障期間保持了雙金屬觸點(diǎn)打開，所以消除了傳統(tǒng)雙金屬片的非閉鎖特性。

　　4 表面貼裝保險(xiǎn)絲

　　表面貼裝保險(xiǎn)絲可以提供可能引起災(zāi)難性后果的不可恢復(fù)保護(hù)，TE電路保護(hù)部為這些器件提供了從0402到1206的表面安裝封裝尺寸范圍，大多數(shù)安全標(biāo)準(zhǔn)限制了最大熔斷器電流為5A。在發(fā)生故障時(shí)熔斷保險(xiǎn)絲，使電池組永久失效。當(dāng)某個(gè)應(yīng)用發(fā)生過流故障時(shí)希望電路永久關(guān)斷， 此時(shí)需要的是保險(xiǎn)絲而不是可恢復(fù)的PolySwitch PPTC。

　　5 總結(jié)

　　電池組的發(fā)展趨勢(shì)是更高的空間效率，這就需要更小的保護(hù)器件?，F(xiàn)在，電池應(yīng)用設(shè)計(jì)人員?？梢詮囊幌盗胁煌庑纬叽绾吞匦缘母鞣N保護(hù)器件中進(jìn)行選擇，以滿足他們的設(shè)計(jì)需求。