有关锂电池保护IC的论述——锂电池的守护神

近年来,PDA、DSC、Cellular Phone、Camcorder、Portable Audio、Advanced Game、Assist Bicycle、Electric Scooter、Bluetooth Device…越来越多的产品急速的采用锂电池来当做它的主要电源,不外乎其:体积小、能量密度高、无记忆效应、循环寿命高、高电压电池、自放电率低…等优点,也因为与镍镉、镍氢电池不太一样,所以必须考虑充电、放电时之安全,确保特性劣化的防止,但也因为如此,针对锂电池的过充,过放,过电流及短路电流的保护更显得重要,所以通常都会在电池包内设计保护线路用以保护锂电池,由此可见锂电池保护IC的重要性。

锂离子电池因能量密度高，使得难以确保电池的安全性。具体而言，在过度充电状态下，电池温度上升后能量将过剩，于是电解液分解而产生气体，因内压上升而导致有发火或破裂的危机。反之，在过度放电状态下，电解液因分解导致电池特性劣化及耐久性劣化(即充电次数降低)。

锂离子电池的保护电路就是要确保这样的过度充电及放电状态时的安全性，并防止特性的劣化。锂离子电池的保护电路是由保护IC、及两颗Power-MOSFET所构成。其中保护IC为监视电池电压；当有过度充电及放电状态时，则切换以外挂的Power-MOSFET来保护电池，保护IC的功能为: (1)过度充电保护、(2)过度放电保护、(3)过电流/短路保护。以下就这三项功能的保护动作加以说明。

(1) 过度充电:

当锂电池发生过度充电时,电池内电解质会被分解,使得温度上升并产生气体,使得压力上升而可能引起自燃或爆裂的危机,锂电池保护IC用意就是要防止过充电的情形发生。

过度充电保护IC原理:

当外部充电器对锂电池充电时,为防止因温度上升所导致的内压上升,需终止充电状况,此时保护IC需检测电池电压,当到达4.25V时(假设电池过充点为4.25V)及激活过充电保护,将Power MOS由ON'OFF,进而截止充电。

另外,过充电检出,因噪声所产生的误动作也是必须要注意的,以免判定为过充保护,因此需要延迟时间的设定,而delay time也不能短于噪声的时间。

(2) 过度放电:

在过度放电的情形下,电解液因分解而导致电池特性劣化,并造成充电次数的降低,锂电池保护IC用以保护其过放电的状况发生, 达成保护动作。

过度放电保护IC原理:

为了防止锂电池过度放电之状态,假设锂电池接上负载,当锂电池电压低于其过放电电压检测点(假设设定为2.3V),将激活过放电保护,将Power MOS由ON'OFF,进而截止放电,达成保护以避免电池过放电现象发生, 并将电池保持在低静态电流的状态(standby mode),此时耗电为0.1uA

当锂电池接上充电器,且此时锂电池电压高于过放电电压时,过放电保护功能方可解除。

另外,为了对于脉冲放电之情形,过放侦测设有延迟时间用以预防此种误动作的发生。

(3) 过电流及短路电流:

因为不明原因(放电时或正负极遭金属物误触)造成过电流或短路电流发生,为确保安全,使其停止放电。

电流保护IC原理:

当放电电流过大或短路情况发生时,保护IC将激活过(短路)电流保护,此时过电流的检测是将Power MOS的Rds(on)当成感应阻抗用以监测其电压的下降情形,若比所定的过电流检测电压还高则停止放电,
公式为:

V-(过电流检测电压)=I(放电电流)*Rds(on)*2

假设V-=0.2V, Rds(on)=25mΩ,则保护电流的大小为I=4A

同样的,过电流检出也必须要设有延迟时间以防有突然的电流流入时,会发生误动作,使其发生保护的误动作。

通常在过电流发生后,若能移除过电流之因素(例如:马上与负载脱离..),就会回复其正常状态,可以再实行正常的充放电动作。

锂电池保护IC的新功能:

除了上述的锂电池保护IC功能之外,现在还有一些新的功能值得我们注意,以东瑞电子所独家代理的"Ricoh"锂电池保护IC为例---R5426

(1) 充电时,过电流之保护:

当连接充电器在充电时突然有过电流发生(充电器损坏),即发生充电时过电流检测,此时将Cout将由High'Low,Power MOS由ON'OFF,达成保护之动作.

V-(Vdet4过电流检测电压)=I(充电电流)*Rds(on)*2

注:Vdet4为-0.1V

(2) 缩短测试时间:

假设测完一片PCB所需要花的时间为1秒,那100万片则需要100万秒,非常的耗时,同样的也很没有效率,故我们可以利用以下之功能来缩短测试时间.

(A) 当我们将R5426之DS pin open时,此时delay time为规格书上所示

(B) 当我们将R5426之DS pin接VDD时,此时delay time将只有1/90.

(C) 当我们将R5426之DS pin接Vim(min=1.2V,max=VDD-1.1V),此时将可忽略delay time

(3) 过充时锁住模式(Latch):

通常保护IC在过充电保护时经过一段延迟时间之后就会将Power MOS关掉(Cout),用以达到保护的目的,当锂电池电压一直下降到解除点(Overc