過電流及短路電流

因為不明原因(放電時或正負(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的 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-=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(hù)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.

鋰電池保護(hù)IC的新功能

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MOSFET由開轉(zhuǎn)為關(guān)斷,實現(xiàn)保護(hù)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(hù)IC在過度充電保護(hù)時將經(jīng)過一段延遲時間,然后就會將功率MOSFET關(guān)斷以達(dá)到保護(hù)的目的,當(dāng)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(hù)-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(hù)電路在檢測到過度充電保護(hù)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(hù)之后,只要充電器連接在電池包上,此時將進(jìn)入過充鎖定模式.此時,即使鋰電池電壓下降也不會發(fā)生再充電的情形,將充電器移除并連接負(fù)載即可恢復(fù)充放電的狀態(tài).

3. 減小保護(hù)電路組件尺寸

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

對保護(hù)IC性能的要求

1. 過度充電保護(hù)的高精度化

當(dāng)鋰離子電池有過度充電狀態(tài)時,為防止因溫度上升所導(dǎo)致的內(nèi)壓上升,須截止充電狀態(tài).保護(hù)IC將檢測電池電壓,當(dāng)檢測到過度充電時,則過度充電檢測的功率MOSFET使之關(guān)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(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MOSFET 關(guān)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(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0.1uA.

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?qū)е码妷旱偷?V,故保護(hù)IC需要在0V時也可以實現(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.

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(qiáng)調(diào)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MOSFET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.