锂电池保护电路原理、功能及特性分析

近年来，PDA、数字相机、手机、便携式音频设备和蓝牙设备等越来越多的产品采用锂电池作为主要电源。锂电池具有体积小、能量密度高、无记忆效应、循环寿命高、高电压电池和自放电率低一级长处，与镍镉、镍氢电池不太一样，锂电池有必要考虑充电、放电时的安全性，以避免特性劣化。针对锂电池的过充、过度放电、过电流及短路维护很重要，所以一般都会在电池包内设计维护线路用以维护锂电池。 

由于锂离子电池能量密度高，因而难以保证电池的安全性。在过度充电状况下，电池温度上升后能量将过剩，所以电解液分解而发生气体，因内压上升而发生自燃或决裂的危险；反之，在过度放电状况下，电解液因分解导致电池特性及耐久性劣化，从而下降可充电次数。 

锂离子电池的维护电路便是要保证这样的过度充电及放电状况时的安全性，并避免特性劣化。锂离子电池的维护电路是由维护IC及两颗功率MOSFET所构成，其间维护IC监督电池电压，当有过度充电及放电状况时切换到以外挂的功率MOSFET来维护电池，维护IC的功用有过度充电维护、过度放电维护和过电流/短路维护。 

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过度充电维护 

过度充电维护IC的原理为：当外部充电器对锂电池充电时，为避免因温度上升所导致的内压上升，需停止充电状况。此刻，维护IC需检测电池电压，当到达4.25V时(假设电池过充点为4.25V)即激活过度充电维护，将功率MOS由开转为关断，进而截止充电。 

另外, 还有必要留意因噪声所发生的过度充电检出误动作，避免判定为过充维护。因而，需要设定延迟时间，而且延迟时间不能短于噪声的持续时间。 

过度放电维护 

在过度放电的状况下，电解液因分解而导致电池特性劣化，并形成充电次数的下降。采用锂电池维护IC能够避免过度放电现象发生，完成电池维护功用。 

过度放电维护IC原理：为了避免锂电池的过度放电状况，假设锂电池接上负载，当锂电池电压低于其过度放电电压检测点(假定为2.3V)时将激活过度放电维护，使功率MOSFET由开转变为关断而截止放电，以避免电池过度放电现象发生，并将电池保持在低静态电流的待机形式，此刻的电流仅0.1uA。 

当锂电池接上充电器，且此刻锂电池电压高于过度放电电压时，过度放电维护功用方可免除。另外，考虑到脉冲放电的状况，过放电检测电路设有延迟时间以避免发生误动作。 

过电流及短路电流 

由于不明原因(放电时或正负极遭金属物误触)形成过电流或短路，为保证安全，有必要使其当即停止放电。 

过电流维护IC原理为，当放电电流过大或短路状况发生时，维护IC将激活过(短路)电流维护，此刻过电流的检测是将功率MOSFET的Rds(on)当成感应阻抗用以监测其电压的下降景象，假如比所定的过电流检测电压还高则停止放电，计算公式为: V-=I×Rds(on)×2(V-为过电流检测电压，I为放电电流)。假设V-=0.2V，Rds(on)=25mΩ,则维护电流的巨细为I=4A。 
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相同地，过电流检测也有必要设有延迟时间以防有突发电流流入时发生误动作。 

一般在过电流发生后,若能去除过电流要素(例如马上与负载脱离)，将会康复其正常状况，能够再进行正常的充放电动作。 

锂电池维护IC的新功用 

除了上述的锂电池维护IC功用之外，下面这些新的功用相同值得关注： 

1. 充电时的过电流维护 
当连接充电器进行充电时忽然发生过电流(如充电器损坏)，电路当即进行过电流检测，此刻Cout将由高转为低,功率MOSFET由开转为关断，完成维护功用。 

V-(Vdet4过电流检测电压，Vdet4为-0.1V)=I(充电电流)×Rds(on)×2 

2. 过度充电时的锁定形式 
一般维护IC在过度充电维护时将通过一段延迟时间，然后就会将功率MOSFET关断以到达维护的目的，当锂电池电压一向下降到免除点(过度充电滞后电压)时就会康复，此刻又会持续充电-维护-放电-充电-放电。这种状况的安全性问题将无法获得有效解决，锂电池将一向重复着充电-放电-充电-放电的动作，功率MOSFET的栅极将反复地处于高低电压替换状况，这样或许会使MOSFET变热，还会下降电池寿命,因而锁定形式很重要。假如锂电维护电路在检测到过度充电维护时有锁定形式，MOSFET将不会变热，且安全性相对进步许多。 

在过度充电维护之后，只要充电器连接在电池包上，此刻将进入过充锁定形式。此刻，即使锂电池电压下降也不会发生再充电的景象，将充电器移除并连接负载即可康复充放电的状况。 

3. 减小维护电路组件尺度 
将过度充电和短路维护用的延迟电容集成到到维护IC里面，以减小维护电路组件尺度。 

对维护IC性能的要求 

1. 过度充电维护的高精度化 
当锂离子电池有过度充电状况时，为避免因温度上升所导致的内压上升，须截止充电状况。维护IC将检测电池电压，当检测到过度充电时，则过度充电检测的功率MOSFET使之关断而截止充电。此刻应留意的是过度充电的检测电压的高精度化，在电池充电时，使电池充电到饱满的状况是使用者很关怀的问题，一起兼顾到安全性问题，因而需要在到达容许电压时截止充电状况。要一起符合这两个条件，有必要有高精度的检测器，现在检测器的精度为25mV，该精度将有待于进一步进步。 

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2. 下降维护IC的耗电 
随着使用时间的添加，已充过电的锂离子电池电压会逐步下降，最后低到规格规范值以下，此刻就需要再度充电。若未充电而持续使用，或许形成由于过度放电而使电池不能持续使用。为避免过度放电，维护IC有必要检测电池电压，一旦到达过度放电检测电压以下，就得使放电一方的功率MOSFET 关断而截止放电。但此刻电池自身仍有自然放电及维护IC的消耗电流存在，因而需要使维护IC消耗的电流降到最低程度。 

3. 过电流/短路维护需有低检测电压及高精度的要求 
因不明原因导致短路时有必要当即停止放电。过电流的检测是以功率MOSFET的Rds(on)为感应阻抗，以监督其电压的下降，此刻的电压若比过电流检测电压还高时即停止放电。为了使功率MOSFET的Rds(on)在充电电流与放电电流时有效应用，需使该阻抗值尽量低，现在该阻抗约为20mΩ~30mΩ，这样过电流检测电压就可较低。 

4. 耐高电压 
电池包与充电器连接时瞬间会有高压发生，因而维护IC应满意耐高压的要求。 

5. 低电池功耗 
在维护状况时，其静态耗电流有必要要小0.1uA。 

6. 零伏可充电 
有些电池在寄存的过程中或许由于放太久或不正常的原因导致电压低到0V，故维护IC需要在0V时也能够完成充电。 

维护IC开展展望 

如前所述，未来维护IC将进一步进步检测电压的精度、下降维护IC的耗电流和进步误动作避免功用等，一起充电器连接端子的高耐压也是研发的重点。 

在封装方面，现在已由SOT23-6逐步转向SON6封装，将来还有CSP封装，甚至出现COB产品用以满意现在所着重的轻薄短小要求。 

在功用方面，维护IC不需要集成一切的功用，可根据不同的锂电池资料开发出单一维护IC，如只有过充维护或过放维护功用，这样能够大大减少成本及尺度。 

当然，功用组件单晶体化是不变的方针，如现在手机制造商都朝向将维护IC、充电电路以及电源管理IC等外围电路与逻辑IC构成双芯片的芯片组，但现在要使功率MOSFET的开路阻抗下降，难以与其它IC集成，即使以特殊技能制成单芯片，恐怕成本将会过高。因而，维护IC的单晶体化将需一段时间来解决。