充电电池保护IC的实现原理与发展趋势

近年来，由于锂离子充电电池符合便携式电子产品在小型、重量轻及使用时间长方面的要求，因而从移动电话和PDA等为代表的便携式电子产品，到笔记本计算机、VTR等都开始大量采用锂离子充电电池。然而，另一方面，锂离子充电电池需要过充和过放等保护，所以通常在电池包里必须放置保护回路。

本文将介绍锂离子充电电池保护用IC所产生的作用，以及此类产品的未来发展趋势。

锂离子充电电池保护IC的功能

在锂离子充电电池的使用过程中，可能会由于使用者的错误使用而造成过充，产生电池温度上升；其次，由于电解液的分解而产生瓦斯，使其内部压力上升，以及金属锂等的释出而造成有起火及破裂的危险。相反，在放电时，如果产生过放将会分解电解液，使得电池的特性产生劣化。

为了避免过充及过放所产生的安全性问题，并防止电池特性劣化，在锂离子电池包中采用了保护回路，如图1所示。基本上，该保护回路由两个FET和专用IC(以下称为保护IC)构成。保护IC负责监测电池电压，并控制两个FET的栅极，而FET分别实现过充和过放的控制功能。

a. 锂离子充电电池保护用IC的基本功能

关于锂离子充电电池的保护，必须具有以下3个保护功能。

1. 过充监测 防止电池的特性劣化、起火及破裂，确保安全性。

2. 过放监测 防止电池特性劣化，确保电池的使用寿命。

3. 过电流监测 防止FET的破坏，短路保护及确保搬运时的安全性。

采用保护回路来实现以上三种保护功能，提高电池包的安全性和可靠性。

b. 通常状态

在通常状态下可以自由充放电，因此控制用FET都为接通状态。为了有效地利用放电电流及充电电流，在FET里采用了小接通阻抗功率MOS管。

c. 过充电保护

过充保护功能是指在达到某个电压(以下称为过充电检测电压)时，禁止由充电器继续充电。

即，将控制过充的FET变成关断状态，停止充电电流的流动。

如图2所示，将电池包中控制充电的FET栅极设置为关断状态，从而停止充电。但是，过

充检测之后，必须保证可以在负载上放电。

通过改善过充检测电压的误差一方面提高电池的安全性(防止内压上升)，另一方面，由于高容量的需求，要求提高其精确度。

另外，过充电检测对应于脉冲充电及由于噪声而发生的误动作，因而需要设定延迟时间。当前的保护IC可以利用外接电容自由设定延迟时间。

d. 过放电保护

过放电保护功能是在电池和电压变低时，停止对负载放电。如图3所示，将电池包控制过放的FET的栅极变成关断状态，禁止其放电。该过程正好与过充电检测时的动作相反。

由于在过放检测电压以下时电池电压不能再降低，因此必须要求保护用IC消耗电流极小。其次，很多过放检测电路设有延迟时间。

e. 过电流保护

过电流保护功能是在消耗大电流时停止对负载的放电，此功能的目的在于保护电池及FET，确保电池包在工作状态下的安全性。过电流检测是将FET的接通电阻当成感应电阻处理，监视其电压的状况，若比所设定的电压(过电流检测电压)还高，则立即停止放电。

过电流检测必须设置延迟时间。若没有延迟时间，当突然有电流流入时，会检测出过电电流，而使得放电停止。因此，近来的保护IC都分为在短路时和突然有电流流入时的两种不同状况的检测。

过电流检测之后，电池包与负载脱离后将恢复到常态，可以再充电或放电。

锂离子充电电池保护IC的种类

在不同的应用中，锂离子电池内所使用的保护IC并不相同。表1为Seiko instruments公司的产品系列及相关应用

Seiko instruments公司的保护IC过充电检测电压的精确度为±25mV(温度=25℃)，并且，在关断电源时的电流也只有0.14μA (温度为-40℃~85℃)，适合于用在强调安全性的锂离子电池中。

此外，由于采用小型封装且减少了外接元件，有利于电池包的小型和薄型化的要求。

锂离子充电电池保护IC的发展趋势

a．保护功能需求改变

并非所有应用都要求具备过充、过放及过电流保护的功能。例如，将来也许会采用只有过放电保护功能的保护IC构成其保护回路。

b. 过充电检测电压精度更高

为了提高电池包的安全性，要求过充电检测电压的精度足够高。现在，±25mV(温度＝25℃的条件下)为最高精度，但在其它温度范围内，将来会要求能达到同样的高精度。

c. 低成本及高安全性

在保护回路上，同时要求成本低和高安全性。这样，未来可能会划分为保护IC及复位IC等功能简化产品，以及使用专用IC等两大类。

d. 将控制IC和外部FET集成

在考虑空间的情况下，将控制IC和外接FET采用单个封装。但是，由于FET能选择的范围有限，再加上FET的热影响会产生控制系统的误动作和破坏等在安全性问题，采用单一封装IC并不是最佳的选择。

e. 汽车用保护IC

锂离子充电电池的最大市场为汽车电池的市场。与便携式电子产品相比，由于容量变大，因此其安全性的要求会更加高，以往的保护功能可能并不能满足需要。因此，如何满足这些变化是今后的重要课题。

f. 锂离子聚合物电池用保护IC

各电池厂商都在加速开发锂离子聚合物电池，并宣称将不再需要保护回路。但是，这并不能真的马上实现，将可能发展为使用只具有一部分保护功能的保护回路。因而可以推想，今后保护用IC会有简化的趋势。

Seiko instruments公司供稿