介绍锂离子电池的优势和对保护电路要求高的特点！

1 锂离子电池的特点

　　近几年来,便携式电子产品的迅猛发展促进了电池技术的更新换代。其中锂离子电池以高能量密度、高内阻、高电池电压、高循环次数、低自放电率等特性,脱颖而出,迅速成为市场的主流。据统计,在笔记本电脑和移动电话领域,锂离子电池的市场占有率分别为80%和60%。根据日本矢野经济研究所的预测,锂离子电池正以53.33%的年增长率快速取代传统的镍铬和镍氢电池市场。 

　　虽然锂离子电池有以上所说的种种优点和良好的市场前景,但它对保护电路的要求比较高,在使用过程中应严格避免出现过充电、过放电现象,放电电流也不宜过大,一般而言,放电速率不应大于0.2C。锂电池的充电过程如图1所示。在一个充电周期内,锂离子电池在充电开始之前需要检测电池的电压和温度,判断是否可充。如果电池电压或温度超出制造商允许的范围,则禁止充电。允许充电的电压范围是:每节电池2.5V～4.2V;温度范围是:2.5℃～50℃。在电池处于深放电的情况下,必须要求充电器具有预充过程,使电池满足快速充电的条件;然后,根据电池厂商推荐的快速充电速度,一般为1C，充电器对电池进行恒流充电,电池电压缓慢上升;一旦电池电压达到所设定的终止电压(一般为4.1V或4.2V),恒流充电终止,充电电流快速衰减,充电进入满充过程;在满充过程中,充电电流逐渐衰减,直到充电速率降低到C/10以下或满充时间超时时,转入顶端截止充电;顶端截止充电时,充电器以极小的充电电流为电池补充能量。顶端截止充电一段时间后,关闭充电。 

　　一般而言,锂离子电池的安全电压下限为2.4V,其所要求的误差精准度并不如充电电压精确,但亦必须配合适当的过放电延迟时间,以同时兼顾最大使用电量与过放电保护的要求。当电池进行放电动作、电池电压低于过放电保护电压时,应当关闭电池放电,避免电池过放电现象发生。当放电电流过大,保护电路应该关闭电池放电,执行过放电电流保护功能。至于保护电流的大小,可以根据负载的大小加以设定。值得注意的是:保护电路不能因为负载需要短时间的大电流而误动作,保护电路必须提供不同的过放电电流保护延迟时间,提高工作的稳定性。 

　　除此之外,整体锂离子电池组的保护功能还可以通过电池内部的安全阈作内压保护,外部电路的热敏电阻进行高温保护。 

2 在线充放电管理的电路结构

　　由于锂离子电池对保护电路要求比较高,在设计充电和放电电路时,应该充分考虑到可能出现的各种情况,并加以保护,以确保电池安全工作。在实际设计中,需要将锂离子电池应用在长期无人看守的仪器中,要求充放电管理电路可自动监测锂离子电池、外部供电以及负载的状态,并做出相应的动作,以确保负载长期稳定地工作,锂电池安全有效地工作。选择MAXIM公司生产的锂离子充电管理芯片MAX1758和PHILIPS公司生产的低功耗单片机P87LPC767来实现对锂离子电池的充电和放电管理,以及对电池工作状态的实时监测,完成外部供电电压和内部电池电压的实时切换。充放电管理电路的结构如图2所示。 

3 充电管理电路原理

　　图2所示电路的上半部分是用MAX1758构成的1～4节锂离子电池充电管理电路。MAX1758芯片内部电路包括:输入调节器、电压检测器、充电电流检测器、定时器、温度检测器和主控制器。 

　　输入电流调节电路用于限制电源的总输入电流,包括系统负载电流和充电电流。当检测到输入电流大于设定的限流门限时,通过降低充电电流可达到限制输入电流的目的。因为系统工作时电源电流的变化范围较大,如果充电器没有输入电流检测功能,则输入电源(墙上适配器或其它直流电源)必须能够提供最大负载电流与最大充电电流之和。这将使电源的成本增高、体积增大。而利用输入限流功能则能够降低充电器对直流电源的要求,同时也简化了输入电源的设计。图2中利用MAX1758的CSSP引脚与CSSN引脚之间的外接电阻R1来检测输入电流,ISETIN引脚设置检测门限。需要注意的是:电阻R1上的压差使充电器的功耗增大、效率降低。为减小压差,一般应选择较小的电阻值;但过小的阻值会使内部输入检流放大器的失调电压增大,从而降低电流检测精度。因此,应综合考虑,选择适当的R1值。 

　　电压检测电路可与电流检测电路分别对电池电压和充电电流进行调节、监测。最大充电电流由ISETOUT引脚的电压值确定,电池充电终止电压限定为4.2V,通过VADJ引脚的外接分压电阻在4.0V～4.4V之间调节。电池节数由CELL引脚设置,CELL引脚接GND、浮空、接REF、接VL分别表示电池节数为1节、2节、3节、4节。MAX1758的电压检测精度为±0.8%。电压检测和电流检测结果送入内部主控制器,主控制器通过驱动内部MOSFET导通或断开以达到控制电流或限制电池电压的目的。 

　　定时器和温度检测器为电池充电提供附加保护。由于充电效率达不到100%,充电时间限定值应留有余量。温度传感器应接在THM和GND之前,靠近电池安装。温度传感器可选择具有负温度系数的热敏电阻,+25℃时阻值为10kΩ。Philips、Cornerstone传感器公司、Fenwall电子公司均可提供适当的产品。MAX1758以1.2Hz的频率检测电池温度。 

4 充电参数设置 

4.1 电池终止电压设置

　　通过MAX1758的VADJ引脚外接分压电阻可以设置电池充电终止电压,分压电阻应选择阻值低于100kΩ、精度为1%以上的精密电阻。电池充电终止电压与电池的化学特性和内部构造有关,具体参数由电池厂商提供。VADJ引脚的电压(V_VADJ)与电池充电终止电压(V_BATTR)、电池节数(N)、基准电压(V_REF)之间的关系由下式确定: 

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

4.2 充电电流设置

　　快充过程的充电电流由ISETOUT引脚的电压值(V_IESTOUT)决定,该电压由连接在REF和GND之间的分压电阻调节。当ISETOUT引脚接REF时,电流为最大值(1.5A)。I_CHG与V_IESTOUT的关系式如下: 

    I_CHG=1.5A×(V_IESTOUT/V_REF) 

4.3 输入电流限制

　　输入限流门限I_IN由ISETIN引脚的电压确定,根据下式可确定I_IN的值。 

    I_IN=I_FSS(V_ISETIN/V_REF) 

式中: I_FSS=0.1V/R1 

4.4 选择电感

　　电感值与电流纹波的大小有关。选用较大的电感时电流纹波较小,但如果电感的物理尺寸相同时,电感值越大,通常电感的等效串联电阻和额定电流较小。从总体指标考虑,电流纹波一般设置为平均充电电流的30%～50%。假设纹波电流与直流充电电流之比为LIR,则电感值由下式确定: 

    式中:f_OSC为充电器内部DC/DC变换器的开关频率,为300kHz。电感额定电流应大于I_CHG[1+LIR/2]。 

4.5 充电时间设置

　　MAX1758内含4个定时时间设置功能,即预充、快充、满充、顶端截止充电时间。在TIMER1外接电容可设置预充、满充和顶端截止充电过程的时间限制,在TIMER2上外接电容可设置快充时间限制。充电速率为1C时,典型充电时间设置为(TIMER1与TIMER2的外接电容均为1nF):预充时间为7.5分钟、快充时间为90分钟、满充时间为90分钟、顶端终止充电时间为45分钟。 

5 过充、过放保护

　　单片机P87LPC767的主要功能是实时监测外供电电压、电池电压、负载电压和电池温度,并根据监视参数的状态实现对电池过充、过放、过温、负载过流的保护,以及与主CPU进行参数交换。 

　　P87LPC767有四个A/D转换接口,分别用于监测外供电电压、电池电压、负载电压和电池温度。工作时P87LPC767每20毫秒就对外供电电压进行一次A/D转换,读取外供电电压值。一旦外供电电压低于设定值时,P87LPC767就打开功率MOSFET Q1,将负载供电切换到电池上,如图3。P87LPC767每秒钟检测一次电池电压、负载电压和电池温度,判断电池是否需要充电。若电池电压低于设定的值,而外供电电压和温度都满足充电的条件,则打开MAX1758,对电池充电,补充电池能量。当电池给负载供电,电池电压低于安全放电的电压值(每节电池电压低于2.4V)时,P87LPC767立刻将Q1关断,防止电池过放,并将负载、MAX1758等外围电路关闭,转入低功耗工作模式,以节省耗电,等待外供电电压恢复正常时,再重新启动。如果检测到负载电压过低,会认为是过流引起的,也将立即关闭负载,转入低功耗工作模式,等待外部唤醒。这样,P87LPC767可以实现电池以及负载电路的保护,使得仪器在外部供电电源不太稳定的环境下可以长期稳定地工作。

由于锂离子电池能量密度高,因此难以确保电池的安全性.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,因内压上升而发生自燃或破裂的危险;反之,在过度放电状态下,电解液因分解导致电池特性及耐久性劣化,从而降低可充电次数. 

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,并防止特性劣化.锂离子电池的保护电路是由保护IC及两颗功率MOSFET所构成,其中保护IC监视电池电压,当有过度充电及放电状态时切换到以外挂的功率MOSFET来保护电池,保护IC的功能有过度充电保护、过度放电保护和过电流/短路保护. 

过度充电保护 

过度充电保护IC的原理为: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,需终止充电状态.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)即激活过度充电保护,将功率MOS由开转为关断,进而截止充电. 

另外, 还必须注意因噪声所产生的过度充电检出误动作,以免判定为过充保护.因此,需要设定延迟时间,并且延迟时间不能短于噪声的持续时间. 

过度放电保护 

在过度放电的情况下,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.采用锂电池保护IC可以避免过度放电现象发生,实现电池保护功能. 

过度放电保护IC原理:为了防止锂电池的过度放电状态,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)时将激活过度放电保护,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模式,此时的电流仅0.1uA. 

当锂电池接上充电器,且此时锂电池电压高于过度放电电压时,过度放电保护功能方可解除.另外,考虑到脉冲放电的情况,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 

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,为确保安全,必须使其立即停止放电. 

过电流保护IC原理为,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功率MOSFET的Rds(on)当成感应阻抗用以监测其电压的下降情形,如果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,则保护电流的大小为I=4A. 

同样地,过电流检测也必须设有延迟时间以防有突发电流流入时发生误动作. 

通常在过电流发生后,若能去除过电流因素(例如马上与负载脱离),将会恢复其正常状态,可以再进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,下面这些新的功能同样值得关注: 

1. 充电时的过电流保护 
当连接充电器进行充电时突然发生过电流(如充电器损坏),电路立即进行过电流检测,此时Cout将由高转为低,功率MOSFET由开转为关断,实现保护功能. 

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

2. 过度充电时的锁定模式 
通常保护IC在过度充电保护时将经过一段延迟时间,然后就会将功率MOSFET关断以达到保护的目的,当锂电池电压一直下降到解除点(过度充电滞后电压)时就会恢复,此时又会继续充电-保护-放电-充电-放电.这种状态的安全性问题将无法获得有效解决,锂电池将一直重复着充电-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交替状态,这样可能会使MOSFET变热,还会降低电池寿命,因此锁定模式很重要.假如锂电保护电路在检测到过度充电保护时有锁定模式,MOSFET将不会变热,且安全性相对提高很多. 

在过度充电保护之后,只要充电器连接在电池包上,此时将进入过充锁定模式.此时,即使锂电池电压下降也不会发生再充电的情形,将充电器移除并连接负载即可恢复充放电的状态. 

3. 减小保护电路组件尺寸 
将过度充电和短路保护用的延迟电容集成到到保护IC里面,以减小保护电路组件尺寸. 

对保护IC性能的要求 

1. 过度充电保护的高精度化 
当锂离子电池有过度充电状态时,为防止因温度上升所导致的内压上升,须截止充电状态.保护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.此时应注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态是使用者很关心的问题,同时兼顾到安全性问题,因此需要在达到容许电压时截止充电状态.要同时符合这两个条件,必须有高精度的检测器,目前检测器的精度为25mV,该精度将有待于进一步提高. 

2. 降低保护IC的耗电 
随着使用时间的增加,已充过电的锂离子电池电压会逐渐降低,最后低到规格标准值以下,此时就需要再度充电.若未充电而继续使用,可能造成由于过度放电而使电池不能继续使用.为防止过度放电,保护IC必须检测电池电压,一旦达到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.但此时电池本身仍有自然放电及保护IC的消耗电流存在,因此需要使保护IC消耗的电流降到最低程度. 

3. 过电流/短路保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必须立即停止放电.过电流的检测是以功率MOSFET的Rds(on)为感应阻抗,以监视其电压的下降,此时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,目前该阻抗约为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产生,因此保护IC应满足耐高压的要求. 

5. 低电池功耗 
在保护状态时,其静态耗电流必须要小0.1uA. 

6. 零伏可充电 
有些电池在存放的过程中可能因为放太久或不正常的原因导致电压低到0V,故保护IC需要在0V时也可以实现充电. 

保护IC发展展望 

如前所述,未来保护IC将进一步提高检测电压的精度、降低保护IC的耗电流和提高误动作防止功能等,同时充电器连接端子的高耐压也是研发的重点. 

在封装方面,目前已由SOT23-6逐渐转向SON6封装,将来还有CSP封装,甚至出现COB产品用以满足现在所强调的轻薄短小要求. 

在功能方面,保护IC不需要集成所有的功能,可根据不同的锂电池材料开发出单一保护IC,如只有过充保护或过放保护功能,这样可以大大减少成本及尺寸. 

当然,功能组件单晶体化是不变的目标,如目前手机制造商都朝向将保护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,但目前要使功率MOSFET的开路阻抗降低,难以与其它IC集成,即使以特殊技术制成单芯片,恐怕成本将会过高.因此,保护IC的单晶体化将需一段时间来解决.
目前市面上的充电管理IC，都是按照充电电池的充电特性来设计的。充电电池根据充电介质不同，分为镍氢电池，锂电池等。由于锂电池没有记忆效应，所以目前在各种手持设备和便携式的电子产品中，都采用锂电池供电。