鋰電池保護電路原理及功能有哪些?

離子電池保護電路包括過度充電保護、過電流/短路保護和過放電保護,要求過充電保護高精度、保護IC功耗低、高耐壓以及零伏可充電等特性.本文詳細介紹了這三種保護電路的原理、新功能和特性要求.

近年來,PDA、數字相機、手機、便攜式音頻設備和藍牙設備等越來越多的產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、循環壽命高、高電壓電池和自放電率低等優點,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設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.在過度充電狀態下,電池溫度上升后能量將過剩,于是電解液分解而產生氣體,因內壓上升而發生自燃或破裂的危險;反之,在過度放電狀態下,電解液因分解導致電池特性及耐久性劣化,從而降低可充電次數.

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所構成,其中保護IC監視電池電壓,當有過度充電及放電狀態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.

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壓上升,需終止充電狀態.此時,保護IC需檢測電池電壓,當到達4.25V時(假設電池過充點為4.25V)即激活過度充電保護,將功率MOS由開轉為關斷,進而截止充電.

另外, 還必須注意因噪聲所產生的過度充電檢出誤動作,以免判定為過充保護.因此,需要設定延遲時間,并且延遲時間不能短于噪聲的持續時間.

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,并造成充電次數的降低.采用鋰電池保護IC可以避免過度放電現象發生,實現電池保護功能.

過度放電保護IC原理:為了防止鋰電池的過度放電狀態,假設鋰電池接上負載,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由開轉變為關斷而截止放電,以避免電池過度放電現象發生,并將電池保持在低靜態電流的待機模式,此時的電流僅0.1uA.

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,過放電檢測電路設有延遲時間以避免發生誤動作.

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發生時,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)當成感應阻抗用以監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-=I×Rds(on)×2(V-為過電流檢測電壓,I為放電電流).假設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有延遲時間以防有突發電流流入時發生誤動作.

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

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注:

1. 充電時的過電流保護
當連接充電器進行充電時突然發生過電流(如充電器損壞),電路立即進行過電流檢測,此時Cout將由高轉為低,功率MOSFET由開轉為關斷,實現保護功能.

V-(Vdet4過電流檢測電壓,Vdet4為-0.1V)=I(充電電流)×Rds(on)×2

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過一段延遲時間,然后就會將功率MOSFET關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,此時又會繼續充電-保護-放電-充電-放電.這種狀態的安全性問題將無法獲得有效解決,鋰電池將一直重復著充電-放電-充電-放電的動作,功率MOSFET的柵極將反復地處于高低電壓交替狀態,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發生再充電的情形,將充電器移除并連接負載即可恢復充放電的狀態.

3. 減小保護電路組件尺寸
將過度充電和短路保護用的延遲電容集成到到保護IC里面,以減小保護電路組件尺寸.

對保護IC性能的要求

1. 過度充電保護的高精度化
當鋰離子電池有過度充電狀態時,為防止因溫度上升所導致的內壓上升,須截止充電狀態.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使之關斷而截止充電.此時應注意的是過度充電的檢測電壓的高精度化,在電池充電時,使電池充電到飽滿的狀態是使用者很關心的問題,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.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,最后低到規格標準值以下,此時就需要再度充電.若未充電而繼續使用,可能造成由于過度放電而使電池不能繼續使用.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 關斷而截止放電.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度的要求
因不明原因導致短路時必須立即停止放電.過電流的檢測是以功率MOSFET的Rds(on)為感應阻抗,以監視其電壓的下降,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生,因此保護IC應滿足耐高壓的要求.

5. 低電池功耗
在保護狀態時,其靜態耗電流必須要小0.1uA.

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導致電壓低到0V,故保護IC需要在0V時也可以實現充電.

保護IC發展展望

如前所述,未來保護IC將進一步提高檢測電壓的精度、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的重點.

在封裝方面,目前已由SOT23-6逐漸轉向SON6封裝,將來還有CSP封裝,甚至出現COB產品用以滿足現在所強調的輕薄短小要求.

在功能方面,保護IC不需要集成所有的功能,可根據不同的鋰電池材料開發出單一保護IC,如只有過充保護或過放保護功能,這樣可以大大減少成本及尺寸.

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將保護IC、充電電路以及電源管理IC等外圍電路與邏輯IC構成雙芯片的芯片組,但目前要使功率MOSFET的開路阻抗降低,難以與其它IC集成,即使以特殊技術制成單芯片,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.