1 鋰離子電池的特點(diǎn)

　　近幾年來,便攜式電子產(chǎn)品的迅猛發(fā)展促進(jìn)了電池技術(shù)的更新?lián)Q代。其中鋰離子電池以高能量密度、高內(nèi)阻、高電池電壓、高循環(huán)次數(shù)、低自放電率等特性,脫穎而出,迅速成為市場(chǎng)的主流。據(jù)統(tǒng)計(jì),在筆記本電腦和移動(dòng)電話領(lǐng)域,鋰離子電池的市場(chǎng)占有率分別為80%和60%。根據(jù)日本矢野經(jīng)濟(jì)研究所的預(yù)測(cè),鋰離子電池正以53.33%的年增長(zhǎng)率快速取代傳統(tǒng)的鎳鉻和鎳氫電池市場(chǎng)。 

　　雖然鋰離子電池有以上所說的種種優(yōu)點(diǎn)和良好的市場(chǎng)前景,但它對(duì)保護(hù)電路的要求比較高,在使用過程中應(yīng)嚴(yán)格避免出現(xiàn)過充電、過放電現(xiàn)象,放電電流也不宜過大,一般而言,放電速率不應(yīng)大于0.2C。鋰電池的充電過程如圖1所示。在一個(gè)充電周期內(nèi),鋰離子電池在充電開始之前需要檢測(cè)電池的電壓和溫度,判斷是否可充。如果電池電壓或溫度超出制造商允許的范圍,則禁止充電。允許充電的電壓范圍是:每節(jié)電池2.5V～4.2V;溫度范圍是:2.5℃～50℃。在電池處于深放電的情況下,必須要求充電器具有預(yù)充過程,使電池滿足快速充電的條件;然后,根據(jù)電池廠商推薦的快速充電速度,一般為1C，充電器對(duì)電池進(jìn)行恒流充電,電池電壓緩慢上升;一旦電池電壓達(dá)到所設(shè)定的終止電壓(一般為4.1V或4.2V),恒流充電終止,充電電流快速衰減,充電進(jìn)入滿充過程;在滿充過程中,充電電流逐漸衰減,直到充電速率降低到C/10以下或滿充時(shí)間超時(shí)時(shí),轉(zhuǎn)入頂端截止充電;頂端截止充電時(shí),充電器以極小的充電電流為電池補(bǔ)充能量。頂端截止充電一段時(shí)間后,關(guān)閉充電。 

　　一般而言,鋰離子電池的安全電壓下限為2.4V,其所要求的誤差精準(zhǔn)度并不如充電電壓精確,但亦必須配合適當(dāng)?shù)倪^放電延遲時(shí)間,以同時(shí)兼顧最大使用電量與過放電保護(hù)的要求。當(dāng)電池進(jìn)行放電動(dòng)作、電池電壓低于過放電保護(hù)電壓時(shí),應(yīng)當(dāng)關(guān)閉電池放電,避免電池過放電現(xiàn)象發(fā)生。當(dāng)放電電流過大,保護(hù)電路應(yīng)該關(guān)閉電池放電,執(zhí)行過放電電流保護(hù)功能。至于保護(hù)電流的大小,可以根據(jù)負(fù)載的大小加以設(shè)定。值得注意的是:保護(hù)電路不能因?yàn)樨?fù)載需要短時(shí)間的大電流而誤動(dòng)作,保護(hù)電路必須提供不同的過放電電流保護(hù)延遲時(shí)間,提高工作的穩(wěn)定性。 

　　除此之外,整體鋰離子電池組的保護(hù)功能還可以通過電池內(nèi)部的安全閾作內(nèi)壓保護(hù),外部電路的熱敏電阻進(jìn)行高溫保護(hù)。 

2 在線充放電管理的電路結(jié)構(gòu)

　　由于鋰離子電池對(duì)保護(hù)電路要求比較高,在設(shè)計(jì)充電和放電電路時(shí),應(yīng)該充分考慮到可能出現(xiàn)的各種情況,并加以保護(hù),以確保電池安全工作。在實(shí)際設(shè)計(jì)中,需要將鋰離子電池應(yīng)用在長(zhǎng)期無人看守的儀器中,要求充放電管理電路可自動(dòng)監(jiān)測(cè)鋰離子電池、外部供電以及負(fù)載的狀態(tài),并做出相應(yīng)的動(dòng)作,以確保負(fù)載長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作,鋰電池安全有效地工作。選擇MAXIM公司生產(chǎn)的鋰離子充電管理芯片MAX1758和PHILIPS公司生產(chǎn)的低功耗單片機(jī)P87LPC767來實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰離子電池的充電和放電管理,以及對(duì)電池工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),完成外部供電電壓和內(nèi)部電池電壓的實(shí)時(shí)切換。充放電管理電路的結(jié)構(gòu)如圖2所示。 

3 充電管理電路原理

　　圖2所示電路的上半部分是用MAX1758構(gòu)成的1～4節(jié)鋰離子電池充電管理電路。MAX1758芯片內(nèi)部電路包括:輸入調(diào)節(jié)器、電壓檢測(cè)器、充電電流檢測(cè)器、定時(shí)器、溫度檢測(cè)器和主控制器。 

　　輸入電流調(diào)節(jié)電路用于限制電源的總輸入電流,包括系統(tǒng)負(fù)載電流和充電電流。當(dāng)檢測(cè)到輸入電流大于設(shè)定的限流門限時(shí),通過降低充電電流可達(dá)到限制輸入電流的目的。因?yàn)橄到y(tǒng)工作時(shí)電源電流的變化范圍較大,如果充電器沒有輸入電流檢測(cè)功能,則輸入電源(墻上適配器或其它直流電源)必須能夠提供最大負(fù)載電流與最大充電電流之和。這將使電源的成本增高、體積增大。而利用輸入限流功能則能夠降低充電器對(duì)直流電源的要求,同時(shí)也簡(jiǎn)化了輸入電源的設(shè)計(jì)。圖2中利用MAX1758的CSSP引腳與CSSN引腳之間的外接電阻R1來檢測(cè)輸入電流,ISETIN引腳設(shè)置檢測(cè)門限。需要注意的是:電阻R1上的壓差使充電器的功耗增大、效率降低。為減小壓差,一般應(yīng)選擇較小的電阻值;但過小的阻值會(huì)使內(nèi)部輸入檢流放大器的失調(diào)電壓增大,從而降低電流檢測(cè)精度。因此,應(yīng)綜合考慮,選擇適當(dāng)?shù)腞1值。 

　　電壓檢測(cè)電路可與電流檢測(cè)電路分別對(duì)電池電壓和充電電流進(jìn)行調(diào)節(jié)、監(jiān)測(cè)。最大充電電流由ISETOUT引腳的電壓值確定,電池充電終止電壓限定為4.2V,通過VADJ引腳的外接分壓電阻在4.0V～4.4V之間調(diào)節(jié)。電池節(jié)數(shù)由CELL引腳設(shè)置,CELL引腳接GND、浮空、接REF、接VL分別表示電池節(jié)數(shù)為1節(jié)、2節(jié)、3節(jié)、4節(jié)。MAX1758的電壓檢測(cè)精度為±0.8%。電壓檢測(cè)和電流檢測(cè)結(jié)果送入內(nèi)部主控制器,主控制器通過驅(qū)動(dòng)內(nèi)部MOSFET導(dǎo)通或斷開以達(dá)到控制電流或限制電池電壓的目的。 

　　定時(shí)器和溫度檢測(cè)器為電池充電提供附加保護(hù)。由于充電效率達(dá)不到100%,充電時(shí)間限定值應(yīng)留有余量。溫度傳感器應(yīng)接在THM和GND之前,靠近電池安裝。溫度傳感器可選擇具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻,+25℃時(shí)阻值為10kΩ。Philips、Cornerstone傳感器公司、Fenwall電子公司均可提供適當(dāng)?shù)漠a(chǎn)品。MAX1758以1.2Hz的頻率檢測(cè)電池溫度。 

4 充電參數(shù)設(shè)置 

4.1 電池終止電壓設(shè)置

　　通過MAX1758的VADJ引腳外接分壓電阻可以設(shè)置電池充電終止電壓,分壓電阻應(yīng)選擇阻值低于100kΩ、精度為1%以上的精密電阻。電池充電終止電壓與電池的化學(xué)特性和內(nèi)部構(gòu)造有關(guān),具體參數(shù)由電池廠商提供。VADJ引腳的電壓(V_VADJ)與電池充電終止電壓(V_BATTR)、電池節(jié)數(shù)(N)、基準(zhǔn)電壓(V_REF)之間的關(guān)系由下式確定: 

    V_VADJ=(9.5V_BATTR/N)-(9.0×V_REF) 

4.2 充電電流設(shè)置

　　快充過程的充電電流由ISETOUT引腳的電壓值(V_IESTOUT)決定,該電壓由連接在REF和GND之間的分壓電阻調(diào)節(jié)。當(dāng)ISETOUT引腳接REF時(shí),電流為最大值(1.5A)。I_CHG與V_IESTOUT的關(guān)系式如下: 

    I_CHG=1.5A×(V_IESTOUT/V_REF) 

4.3 輸入電流限制

　　輸入限流門限I_IN由ISETIN引腳的電壓確定,根據(jù)下式可確定I_IN的值。 

    I_IN=I_FSS(V_ISETIN/V_REF) 

式中: I_FSS=0.1V/R1 

4.4 選擇電感

　　電感值與電流紋波的大小有關(guān)。選用較大的電感時(shí)電流紋波較小,但如果電感的物理尺寸相同時(shí),電感值越大,通常電感的等效串聯(lián)電阻和額定電流較小。從總體指標(biāo)考慮,電流紋波一般設(shè)置為平均充電電流的30%～50%。假設(shè)紋波電流與直流充電電流之比為L(zhǎng)IR,則電感值由下式確定: 

    式中:f_OSC為充電器內(nèi)部DC/DC變換器的開關(guān)頻率,為300kHz。電感額定電流應(yīng)大于I_CHG[1+LIR/2]。 

4.5 充電時(shí)間設(shè)置

　　MAX1758內(nèi)含4個(gè)定時(shí)時(shí)間設(shè)置功能,即預(yù)充、快充、滿充、頂端截止充電時(shí)間。在TIMER1外接電容可設(shè)置預(yù)充、滿充和頂端截止充電過程的時(shí)間限制,在TIMER2上外接電容可設(shè)置快充時(shí)間限制。充電速率為1C時(shí),典型充電時(shí)間設(shè)置為(TIMER1與TIMER2的外接電容均為1nF):預(yù)充時(shí)間為7.5分鐘、快充時(shí)間為90分鐘、滿充時(shí)間為90分鐘、頂端終止充電時(shí)間為45分鐘。 

5 過充、過放保護(hù)

　　單片機(jī)P87LPC767的主要功能是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)外供電電壓、電池電壓、負(fù)載電壓和電池溫度,并根據(jù)監(jiān)視參數(shù)的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)對(duì)電池過充、過放、過溫、負(fù)載過流的保護(hù),以及與主CPU進(jìn)行參數(shù)交換。 

　　P87LPC767有四個(gè)A/D轉(zhuǎn)換接口,分別用于監(jiān)測(cè)外供電電壓、電池電壓、負(fù)載電壓和電池溫度。工作時(shí)P87LPC767每20毫秒就對(duì)外供電電壓進(jìn)行一次A/D轉(zhuǎn)換,讀取外供電電壓值。一旦外供電電壓低于設(shè)定值時(shí),P87LPC767就打開功率MOSFET Q1,將負(fù)載供電切換到電池上,如圖3。P87LPC767每秒鐘檢測(cè)一次電池電壓、負(fù)載電壓和電池溫度,判斷電池是否需要充電。若電池電壓低于設(shè)定的值,而外供電電壓和溫度都滿足充電的條件,則打開MAX1758,對(duì)電池充電,補(bǔ)充電池能量。當(dāng)電池給負(fù)載供電,電池電壓低于安全放電的電壓值(每節(jié)電池電壓低于2.4V)時(shí),P87LPC767立刻將Q1關(guān)斷,防止電池過放,并將負(fù)載、MAX1758等外圍電路關(guān)閉,轉(zhuǎn)入低功耗工作模式,以節(jié)省耗電,等待外供電電壓恢復(fù)正常時(shí),再重新啟動(dòng)。如果檢測(cè)到負(fù)載電壓過低,會(huì)認(rèn)為是過流引起的,也將立即關(guān)閉負(fù)載,轉(zhuǎn)入低功耗工作模式,等待外部喚醒。這樣,P87LPC767可以實(shí)現(xiàn)電池以及負(fù)載電路的保護(hù),使得儀器在外部供電電源不太穩(wěn)定的環(huán)境下可以長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作。

由于鋰離子電池能量密度高,因此難以確保電池的安全性.在過度充電狀態(tài)下,電池溫度上升后能量將過剩,于是電解液分解而產(chǎn)生氣體,因內(nèi)壓上升而發(fā)生自燃或破裂的危險(xiǎn);反之,在過度放電狀態(tài)下,電解液因分解導(dǎo)致電池特性及耐久性劣化,從而降低可充電次數(shù). 

鋰離子電池的保護(hù)電路就是要確保這樣的過度充電及放電狀態(tài)時(shí)的安全性,并防止特性劣化.鋰離子電池的保護(hù)電路是由保護(hù)IC及兩顆功率MOSFET所構(gòu)成,其中保護(hù)IC監(jiān)視電池電壓,當(dāng)有過度充電及放電狀態(tài)時(shí)切換到以外掛的功率MOSFET來保護(hù)電池,保護(hù)IC的功能有過度充電保護(hù)、過度放電保護(hù)和過電流/短路保護(hù). 

過度充電保護(hù) 

過度充電保護(hù)IC的原理為:當(dāng)外部充電器對(duì)鋰電池充電時(shí),為防止因溫度上升所導(dǎo)致的內(nèi)壓上升,需終止充電狀態(tài).此時(shí),保護(hù)IC需檢測(cè)電池電壓,當(dāng)?shù)竭_(dá)4.25V時(shí)(假設(shè)電池過充點(diǎn)為4.25V)即激活過度充電保護(hù),將功率MOS由開轉(zhuǎn)為關(guān)斷,進(jìn)而截止充電. 

另外, 還必須注意因噪聲所產(chǎn)生的過度充電檢出誤動(dòng)作,以免判定為過充保護(hù).因此,需要設(shè)定延遲時(shí)間,并且延遲時(shí)間不能短于噪聲的持續(xù)時(shí)間. 

過度放電保護(hù) 

在過度放電的情況下,電解液因分解而導(dǎo)致電池特性劣化,并造成充電次數(shù)的降低.采用鋰電池保護(hù)IC可以避免過度放電現(xiàn)象發(fā)生,實(shí)現(xiàn)電池保護(hù)功能. 

過度放電保護(hù)IC原理:為了防止鋰電池的過度放電狀態(tài),假設(shè)鋰電池接上負(fù)載,當(dāng)鋰電池電壓低于其過度放電電壓檢測(cè)點(diǎn)(假定為2.3V)時(shí)將激活過度放電保護(hù),使功率MOSFET由開轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)斷而截止放電,以避免電池過度放電現(xiàn)象發(fā)生,并將電池保持在低靜態(tài)電流的待機(jī)模式,此時(shí)的電流僅0.1uA. 

當(dāng)鋰電池接上充電器,且此時(shí)鋰電池電壓高于過度放電電壓時(shí),過度放電保護(hù)功能方可解除.另外,考慮到脈沖放電的情況,過放電檢測(cè)電路設(shè)有延遲時(shí)間以避免發(fā)生誤動(dòng)作. 

過電流及短路電流 

因?yàn)椴幻髟?放電時(shí)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(shí),保護(hù)IC將激活過(短路)電流保護(hù),此時(shí)過電流的檢測(cè)是將功率MOSFET的Rds(on)當(dāng)成感應(yīng)阻抗用以監(jiān)測(cè)其電壓的下降情形,如果比所定的過電流檢測(cè)電壓還高則停止放電,計(jì)算公式為: V-=I×Rds(on)×2(V-為過電流檢測(cè)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(cè)也必須設(shè)有延遲時(shí)間以防有突發(fā)電流流入時(shí)發(fā)生誤動(dòng)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(huì)恢復(fù)其正常狀態(tài),可以再進(jìn)行正常的充放電動(dòng)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(shí)的過電流保護(hù) 
當(dāng)連接充電器進(jìn)行充電時(shí)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(cè),此時(shí)Cout將由高轉(zhuǎn)為低,功率MOSFET由開轉(zhuǎn)為關(guān)斷,實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能. 

V-(Vdet4過電流檢測(cè)電壓,Vdet4為-0.1V)=I(充電電流)×Rds(on)×2 

2. 過度充電時(shí)的鎖定模式 
通常保護(hù)IC在過度充電保護(hù)時(shí)將經(jīng)過一段延遲時(shí)間,然后就會(huì)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(diǎn)(過度充電滯后電壓)時(shí)就會(huì)恢復(fù),此時(shí)又會(huì)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(dòng)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(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(hù)電路在檢測(cè)到過度充電保護(hù)時(shí)有鎖定模式,MOSFET將不會(huì)變熱,且安全性相對(duì)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(shí)將進(jìn)入過充鎖定模式.此時(shí),即使鋰電池電壓下降也不會(huì)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(duì)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(shí),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(cè)電池電壓,當(dāng)檢測(cè)到過度充電時(shí),則過度充電檢測(cè)的功率MOSFET使之關(guān)斷而截止充電.此時(shí)應(yīng)注意的是過度充電的檢測(cè)電壓的高精度化,在電池充電時(shí),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(shí)兼顧到安全性問題,因此需要在達(dá)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,必須有高精度的檢測(cè)器,目前檢測(cè)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(shí)間的增加,已充過電的鋰離子電池電壓會(huì)逐漸降低,最后低到規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)值以下,此時(shí)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(cè)電池電壓,一旦達(dá)到過度放電檢測(cè)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(shí)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(cè)電壓及高精度的要求 
因不明原因?qū)е露搪窌r(shí)必須立即停止放電.過電流的檢測(cè)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(shí)的電壓若比過電流檢測(cè)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(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(cè)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(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(shí),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?yàn)榉盘没虿徽５脑驅(qū)е码妷旱偷?V,故保護(hù)IC需要在0V時(shí)也可以實(shí)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(cè)電壓的精度、降低保護(hù)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(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(huì)過高.因此,保護(hù)IC的單晶體化將需一段時(shí)間來解決.
目前市面上的充電管理IC，都是按照充電電池的充電特性來設(shè)計(jì)的。充電電池根據(jù)充電介質(zhì)不同，分為鎳氫電池，鋰電池等。由于鋰電池沒有記憶效應(yīng)，所以目前在各種手持設(shè)備和便攜式的電子產(chǎn)品中，都采用鋰電池供電。