- 鋰電池保護IC功能
- 當到達電池過(guò)充點(diǎn)時(shí)即激活過(guò)度充電保護
- 當低于過(guò)度放電電壓檢測點(diǎn)時(shí)使MOSFET由開(kāi)轉變?yōu)榍袛喽刂狗烹?/strong>
- 當放電電流過(guò)大或短路時(shí)將Rds(on) 當成感應阻抗以監測其電壓下降情形
近年來(lái)，PDA、數字相機、手機、可攜式音訊設備和藍芽設備等越來(lái)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(wú)記憶效應、循環(huán)壽命高、高電壓電池和自放電率低等優(yōu)點(diǎn)，與鎳鎘、鎳氫電池不太一樣，鋰電池必須考慮充電、放電時(shí)的安全性，以防止特性劣化。針對鋰電池的過(guò)充、過(guò)度放電、過(guò)電流及短路保護很重要，所以通常都會(huì )在電池包內設計保護線(xiàn)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(guò)度充電狀態(tài)下，電池溫度上升后能量將過(guò)剩，于是電解液分解而產(chǎn)生氣體，因內壓上升而產(chǎn)生自燃或破裂的危險；反之，在過(guò)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。
鋰離子電池的保護電路就是要確保這樣的過(guò)度充電及放電狀態(tài)時(shí)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(guò)度充電及放電狀態(tài)時(shí)切換到以外掛的功率MOSFET來(lái)保護電池，保護IC的功能有過(guò)度充電保護、過(guò)度放電保護和過(guò)電流／短路保護。
過(guò)度充電保護IC的原理為：當外部充電器對鋰電池充電時(shí)，為防止因溫度上升所導致的內壓上升，需終止充電狀態(tài)。此時(shí)，保護IC需檢測電池電壓，當到達4.25V時(shí)（假設電池過(guò)充點(diǎn)為4.25V）即激活過(guò)度充電保護，將功率MOSFET由開(kāi)轉為切斷，進(jìn)而截止充電。
另外，還必須注意因噪音所產(chǎn)生的過(guò)度充電檢出誤動(dòng)作，以免判定為過(guò)充保護。因此，需要設定延遲時(shí)間，并且延遲時(shí)間不能短于噪音的持續時(shí)間。
二、過(guò)度放電保護
在過(guò)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(guò)度放電現象產(chǎn)生，實(shí)現電池保護功能。
過(guò)度放電保護IC原理：為了防止鋰電池的過(guò)度放電狀態(tài)，假設鋰電池接上負載，當鋰電池電壓低于其過(guò)度放電電壓檢測點(diǎn)（假定為2.3V）時(shí)將激活過(guò)度放電保護，使功率MOSFET由開(kāi)轉變?yōu)榍袛喽刂狗烹?，以避免電池過(guò)度放電現象產(chǎn)生，并將電池保持在低靜態(tài)電流的待機模式，此時(shí)的電流僅0.1μA。
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當鋰電池接上充電器，且此時(shí)鋰電池電壓高于過(guò)度放電電壓時(shí)，過(guò)度放電保護功能方可解除。另外，考慮到脈沖放電的情況，過(guò)放電檢測電路設有延遲時(shí)間以避免產(chǎn)生誤動(dòng)作。
三、過(guò)電流及短路電流
因為不明原因（放電時(shí)或正負極遭金屬物誤觸）造成過(guò)電流或短路，為確保安全，必須使其立即停止放電。
過(guò)電流保護IC原理為，當放電電流過(guò)大或短路情況產(chǎn)生時(shí)，保護IC將激活過(guò)（短路）電流保護，此時(shí)過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)電流檢測也必須設有延遲時(shí)間以防有突發(fā)電流流入時(shí)產(chǎn)生誤動(dòng)作。
通常在過(guò)電流產(chǎn)生后，若能去除過(guò)電流因素（例如馬上與負載脫離），將會(huì )恢復其正常狀態(tài)，可以再進(jìn)行正常的充放電動(dòng)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(shí)的過(guò)電流保護
當連接充電器進(jìn)行充電時(shí)突然產(chǎn)生過(guò)電流（如充電器損壞），電路立即進(jìn)行過(guò)電流檢測，此時(shí)Cout將由高轉為低，功率MOSFET由開(kāi)轉為切斷，實(shí)現保護功能。
V- = I × Rds(on) × 2
?。↖ 是充電電流；Vdet4，過(guò)電流檢測電壓，Vdet4 為 -0.1V）
通常保護IC在過(guò)度充電保護時(shí)將經(jīng)過(guò)一段延遲時(shí)間，然后就會(huì )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(diǎn)（過(guò)度充電滯后電壓）時(shí)就會(huì )恢復，此時(shí)又會(huì )繼續充電→保護→放電→充電→放電。這種狀態(tài)的安全性問(wèn)題將無(wú)法獲得有效解決，鋰電池將一直重復著(zhù)充電→放電→充電→放電的動(dòng)作，功率 MOSFET的柵極將反復地處于高低電壓交替狀態(tài)，這樣可能會(huì )使MOSFET變熱，還會(huì )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(guò)度充電保護時(shí)有鎖定模式，MOSFET將不會(huì )變熱，且安全性相對提高很多。
在過(guò)度充電保護之后，只要充電器連接在電池包上，此時(shí)將進(jìn)入過(guò)充鎖定模式。此時(shí)，即使鋰電池電壓下降也不會(huì )產(chǎn)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(tài)。
3.減少保護電路組件尺寸
將過(guò)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(guò)度充電保護的高精密度化
當鋰離子電池有過(guò)度充電狀態(tài)時(shí)，為防止因溫度上升所導致的內壓上升，須截止充電狀態(tài)。保護IC將檢測電池電壓，當檢測到過(guò)度充電時(shí)，則過(guò)度充電檢測的功率 MOSFET使之切斷而截止充電。此時(shí)應注意的是過(guò)度充電的檢測電壓的高精密度化，在電池充電時(shí)，使電池充電到飽滿(mǎn)的狀態(tài)是使用者很關(guān)心的問(wèn)題，同時(shí)兼顧到安全性問(wèn)題，因此需要在達到容許電壓時(shí)截止充電狀態(tài)。要同時(shí)符合這兩個(gè)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。
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2.降低保護IC的耗電
隨著(zhù)使用時(shí)間的增加，已充過(guò)電的鋰離子電池電壓會(huì )逐漸降低，最后低到規格標準值以下，此時(shí)就需要再度充電。若未充電而繼續使用，可能造成由于過(guò)度放電而使電池不能繼續使用。為防止過(guò)度放電，保護IC必須檢測電池電壓，一旦達到過(guò)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(shí)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。
因不明原因導致短路時(shí)必須立即停止放電。過(guò)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(shí)的電壓若比過(guò)電流檢測電壓還高時(shí)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(shí)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(guò)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(shí)瞬間會(huì )有高壓產(chǎn)生，因此保護IC應滿(mǎn)足耐高壓的要求。
5.低電池功耗
在保護狀態(tài)時(shí)，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(guò)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(shí)也可以實(shí)現充電。
六、保護IC發(fā)展展望
如前所述，未來(lái)保護IC將進(jìn)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(dòng)作防止功能等，同時(shí)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逐漸轉向SON6封裝，將來(lái)還有CSP封裝，甚至出現COB產(chǎn)品用以滿(mǎn)足現在所強調的輕薄短小要求。
在功能方面，保護IC不需要整合所有的功能，可根據不同的鋰電池材料開(kāi)發(fā)出單一保護IC，如只有過(guò)充保護或過(guò)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將保護IC、充電電路以及電源管理IC等周邊電路與邏輯IC構成雙芯片的芯片組，但目前要使功率MOSFET的開(kāi)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(huì )過(guò)高。因此，保護IC的單晶體化將需一段時(shí)間來(lái)解決。
