原创 充电电池保护IC的实现原理与发展趋势

         充电电池使用过程中，过充电、过放电和过电流是影響電池使用壽命和性能的主要因素，充電電池保護IC藉由保護環路有效監測並防止對電池產生損害。本文將詳細闡述保護IC實現原理以及此類IC的發展趨勢。

近年來，由於鋰離子充電電池符合可攜式電子產品在小型、重量輕及使用時間長方面的要求，因而從行動電話和PDA等為代表的可攜式電子產品，到筆記型電腦、VTR等都開始大量採用鋰離子充電電池。然而，另一方面，鋰離子充電電池需要過充和過放等保護，所以通常在電池包裏必須放置保護回路。

本文將介紹鋰離子充電電池保護用IC所產生的作用，以及此類產品的未來發展趨勢。

鋰離子充電電池保護IC的功能

在鋰離子充電電池的使用過程中，可能會由於使用者的錯誤使用而造成過充，產生電池溫度上升；其次，由於電解液的分解而產生瓦斯，使其內部壓力上升，以及金屬鋰等的釋出而造成有起火及破裂的危險。相反，在放電時，如果產生過放將會分解電解液，使得電池的特性產生劣化。

為了避免過充及過放所產生的安全性問題，並防止電池特性劣化，在鋰離子電池包中採用了保護回路，如圖1所示。基本上，該保護回路由兩個FET和專用IC(以下稱為保護IC)構成。保護IC負責監測電池電壓，並控制兩個FET的柵極，而FET分別實現過充和過放的控制功能。

a. 鋰離子充電電池保護用IC的基本功能

關於鋰離子充電電池的保護，必須具有以下3個保護功能。

1. 過充監測 防止電池的特性劣化、起火及破裂，確保安全性。

2. 過放監測 防止電池特性劣化，確保電池的使用壽命。

3. 過電流監測 防止FET的破壞，短路保護及確保搬運時的安全性。

採用保護回路來實現以上三種保護功能，提高電池包的安全性和可靠性。

b. 通常狀態

在通常狀態下可以自由充放電，因此控制用FET都為接通狀態。為了有效地利用放電電流及充電電流，在FET裏採用了小接通阻抗功率MOS管。

c. 過充電保護

過充保護功能是指在達到某個電壓(以下稱為過充電檢測電壓)時，禁止由充電器繼續充電。

即，將控制過充的FET變成關斷狀態，停止充電電流的流動。

如圖2所示，將電池包中控制充電的FET柵極設置為關斷狀態，從而停止充電。但是，過充檢測之後，必須保証可以在負載上放電。

藉由改善過充檢測電壓的誤差一方面提高電池的安全性(防止內壓上升)，另一方面，由於高容量的需求，要求提高其精確度。

另外，過充電檢測對應於脈衝充電及由於噪音而產生的錯誤動作，因而需要設定延遲時間。當前的保護IC可以利用外接電容自由設定延遲時間。

d. 過放電保護

過放電保護功能是在電池和電壓變低時，停止對負載放電。如圖3所示，將電池包控制過放的FET的柵極變成關斷狀態，禁止其放電。該過程正好與過充電檢測時的動作相反。

由於在過放檢測電壓以下時電池電壓不能再降低，因此必須要求保護用IC消耗電流極小。其次，很多過放檢測電路設有延遲時間。

e. 過電流保護

過電流保護功能是在消耗大電流時停止對負載的放電，此功能的目的在於保護電池及FET，確保電池包在工作狀態下的安全性。過電流檢測是將FET的接通電阻當成感應電阻處理，監視其電壓的狀況，若比所設定的電壓(過電流檢測電壓)還高，則立即停止放電。

過電流檢測必須設置延遲時間。若沒有延遲時間，當突然有電流流入時，會檢測出過電電流，而使得放電停止。因此，近來的保護IC都分為在短路時和突然有電流流入時的兩種不同狀況的檢測。

過電流檢測之後，電池包與負載脫離後將恢復到常態，可以再充電或放電。

鋰離子充電電池保護IC的種類

在不同的應用中，鋰離子電池內所使用的保護IC並不相同。表1為Seiko instruments公司的產品系列及相關應用

Seiko instruments公司的保護IC過充電檢測電壓的精確度為±２５mV(溫度=２５℃)，並且，在關斷電源時的電流也只有0.14μA (溫度為-40℃~85℃)，適合於用在強調安全性的鋰離子電池中。

此外，由於採用小型封裝且減少了外接元件，有利於電池包的小型和薄型化的要求。

鋰離子充電電池保護IC的發展趨勢

a．保護功能需求改變

並非所有應用都要求具備過充、過放及過電流保護的功能。例如，將來也許會採用只有過放電保護功能的保護IC構成其保護回路。

b. 過充電檢測電壓精度更高

為了提高電池包的安全性，要求過充電檢測電壓的精度足夠高。現在，±25mV(溫度＝２５℃的條件下)為最高精度，但在其它溫度範圍內，將來會要求能達到同樣的高精度。

c. 低成本及高安全性

在保護回路上，同時要求成本低和高安全性。這樣，未來可能會劃分為保護IC及重置IC等功能簡化產品，以及使用專用IC等兩大類。

d. 將控制IC和外部FET整合

在考慮空間的情況下，將控制IC和外接FET採用單個封裝。但是，由於FET能選擇的範圍有限，再加上FET的熱影響會產生控制系統的誤動作和破壞等在安全性問題，採用單一封裝IC並不是最佳的選擇。

e. 汽車用保護IC

鋰離子充電電池的最大市場為汽車電池的市場。與可攜式電子產品相比，由於容量變大，因此其安全性的要求會更加高，以往的保護功能可能並不能滿足需要。因此，如何滿足這些變化是今後的重要課題。

f. 鋰離子聚合物電池用保護IC

各電池廠商都在加速開發鋰離子聚合物電池，並宣稱將不再需要保護回路。但是，這並不能真的馬上實現，將可能發展為使用只具有一部份保護功能的保護回路。因而可以推想，今後保護用IC會有簡化的趨勢。

Seiko instruments公司供稿