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鋰離子 電池 充電器 的原理和制作
鋰電池的守護神---鋰電池保護IC的重要性
近年來,PDA、DSC、Cellular Phone、Camcorder、Portable Audio、Advanced Game、Assist Bicycle、Electric Scooter、Bluetooth Device…越來越多的產品急速的採用鋰電池來當做它的主要電源,不外乎其:體積小、能量密度高、無記憶效應、迴圈壽命高、高電壓電池、自放電率低…等優點,也因為與鎳鎘、鎳氫電池不太一樣,所以必須考慮充電、放電時之安全,確保特性劣化的防止,但也因為如此,針對鋰電池的過充,過放,過電流及短路電流的保護更顯得重要,所以通常都會在電池包內設計保護線路用以保護鋰電池,由此可見鋰電池保護IC的重要性。
鋰離子電池因能量密度高，使得難以確保電池的安全性。具體而言，在過度充電狀態下，電池溫度上升後能量將過剩，於是電解液分解而產生氣體，因內壓上升而導致有發火或破裂的危機。反之，在過度放電狀態下，電解液因分解導致電池特性劣化及耐久性劣化(即充電次數降低)。
鋰離子電池的保護電路就是要確保這樣的過度充電及放電狀態時的安全性，並防止特性的劣化。鋰離子電池的保護電路是由保護IC、及兩顆Power-MOSFET所構成。其中保護IC為監視電池電壓；當有過度充電及放電狀態時，則切換以外掛的Power-MOSFET來保護電池，保護IC的功能為: (1)過度充電保護、(2)過度放電保護、(3)過電流/短路保護。以下就這三項功能的保護動作加以說明
(1) 過度充電:
當鋰電池發生過度充電時,電池內電解質會被分解,使得溫度上升並產生氣體,使得壓力上升而可能引起自燃或爆裂的危機,鋰電池保護IC用意就是要防止過充電的情形發生。
過度充電保護IC原理:
當外部充電器對鋰電池充電時,為防止因溫度上升所導致的內壓上升,需終止充電狀況,此時保護IC需檢測電池電壓,當到達4.25V時(假設電池過充點為4.25V)及啟動過充電保護,將Power MOS由ON'OFF,進而截止充電.
另外,過充電檢出,因雜訊所產生的誤動作也是必須要注意的,以免判定為過充保護,因此需要延遲時間的設定,而delay time也不能短於雜訊的時間。
(2) 過度放電:
在過度放電的情形下,電解液因分解而導致電池特性劣化,並造成充電次數的降低,鋰電池保護IC用以保護其過放電的狀況發生, 達成保護動作。
過度放電保護IC原理:
為了防止鋰電池過度放電之狀態,假設鋰電池接上負載,當鋰電池電壓低於其過放電電壓檢測點(假設設定為2.3V),將啟動過放電保護,將Power MOS由ON'OFF,進而截止放電,達成保護以避免電池過放電現象發生, 並將電池保持在低靜態電流的狀態(standby mode),此時耗電為0.1uA
當鋰電池接上充電器,且此時鋰電池電壓高於過放電電壓時,過放電保護功能方可解除。
另外,為了對於脈衝放電之情形,過放偵測設有延遲時間用以預防此種誤動作的發生。
(3) 過電流及短路電流:
因為不明原因(放電時或正負極遭金屬物誤觸)造成過電流或短路電流發生,為確保安全,使其停止放電。
電流保護IC原理:
當放電電流過大或短路情況發生時,保護IC將啟動過(短路)電流保護,此時過電流的檢測是將Power MOS的Rds(on)當成感應阻抗用以監測其電壓的下降情形,若比所定的過電流檢測電壓還高則停止放電,
公式為:
V-(過電流檢測電壓)=I(放電電流)*Rds(on)*2
假設V-=0.2V, Rds(on)=25mΩ,則保護電流的大小為I=4A
同樣的,過電流檢出也必須要設有延遲時間以防有突然的電流流入時,會發生誤動作,使其發生保護的誤動作。
通常在過電流發生後,若能移除過電流之因素(例如:馬上與負載脫離..),就會回復其正常狀態,可以再實行正常的充放電動作
鋰電池保護IC的新功能:
除了上述的鋰電池保護IC功能之外,現在還有一些新的功能值得我們注意,以東瑞電子所獨家代理的"Ricoh"鋰電池保護IC為例---R5426
(1) 充電時,過電流之保護:
當連接充電器在充電時突然有過電流發生(充電器損壞),即發生充電時過電流檢測,此時將Cout將由High'Low,Power MOS由ON'OFF,達成保護之動作.
V-(Vdet4過電流檢測電壓)=I(充電電流)*Rds(on)*2
注:Vdet4為-0.1V
(2) 縮短測試時間:
假設測完一片PCB所需要花的時間為1秒,那100萬片則需要100萬秒,非常的耗時,同樣的也很沒有效率,故我們可以利用以下之功能來縮短測試時間.
(A) 當我們將R5426之DS pin open時,此時delay time為規格書上所示
(B) 當我們將R5426之DS pin接VDD時,此時delay time將只有1/90.
(C) 當我們將R5426之DS pin接Vim(min=1.2V,max=VDD-1.1V),此時將可忽略delay time
(3) 過充時鎖住模式(Latch):
通常保護IC在過充電保護時經過一段延遲時間之後就會將Power MOS關掉(Cout),用以達到保護的目的,當鋰電池電壓一直下降到解除點(Overcharge Hysteresis Voltage)時就會回復,此時又會繼續的充電,又保護,又放電充電放電,這種情形並不是一種很好的狀況且安全性的問題將無法有效的獲得解決.
鋰電池一直重複著做著充電放電充電放電的動作, Power MOS的Gate將反復的High/Low,這樣可能會使MOSFET變熱.,也同時對於電池的壽命造成引想,由此可知Latch Mode的重要性。
假如鋰電時保護電路在偵測到過充電保護時有Latch Mode,MOSFET將不會變熱,且安全性相對的提高許多.
在偵測到過充電保護之後,只要有連接充電器在電池包上,此時之狀態及到達過充時鎖住模式,因此,雖然鋰電池的電壓一值下降,但不會發生再充電的情形.要解除這個狀況,只要將充電器移除並連接負載即可回復充放電的狀態。
(4) 縮小保護電路元件:
將過充電和短路保護用的延遲電容給內包到保護IC裏面
保護IC的要求:
(A) 過度充電保護的高精化:
當鋰離子電池有過度充電狀態時，為防止因溫度上升所導致的內壓上升，須截止充電狀態。此保護IC即檢視電池電壓，當偵測到過度充電時，則過度充電偵測的Power-MOSFET使之OFF而截止充電。此時所應注意者，就是過度充電的檢測電壓的高精度化，在電池充電時，使電池充電到飽滿的狀態是使用者很在意的問題，同時，兼顧到安全性的問題，就得在達到容許電壓時截止充電狀態。要同時符合這兩個條件，就要有非常高精度的偵測器，目前精度為25mV，但將來勢需有更精度的要求。
(B) 減低保護IC的耗電流達到過度放電保護目的:
已充過電的鋰離子電池電隨著使用時間，電池電壓會漸減，最後低到規格標準值以下。此時就需要再度充電。若未充電而繼續使用的話，恐就無法再充電了(過放電狀態)。而為防止過放電狀態，保護IC即要偵測電池電壓的狀態，一旦到達過放電偵測電壓以下，就得使放電一方的Power-MOSFET OFF而截止放電。但此時電池本身仍有自然放電及保護IC的消費電流存在，因此需要使保護IC的耗電流降到最低的程度。
(C) 過電流/短路保護需有低偵測電壓及高精度的要求:
因不明原因導致短路而有大電流耗損時，為確保安全而使之停止放電。在過電流的偵測是以Power MOS的Rds(on)為感應阻抗，以監視其電壓的下降，此時的電壓若比過電流偵測電壓還高時即停止放電。為了使Power MOS的Rds(on)在充電電流與放電電流時有效的應用，需使該阻抗值儘量低，(目前約20mΩ ~30mΩ )。如此，過電流偵測電壓就可較低。
(D) 實現耐壓值:
電池包與充電器連接時瞬間會有高壓產生,因此保護IC因具備有"耐高壓的要求(Ricoh的保護IC即可承受到28V)
(E) 低耗電:
當到達保護時,其靜態耗電流必須要小(0.1uA)
(F) 零伏可充電:
有些電池在存放的過程中可能因為放太久或不正常的原因導致電壓低到0V,故保護IC需要在0V也可以充電的動作
保護IC功能未來發展
未來的發展將如前述，提高偵測電壓的精度、降低保護IC的耗電流及包裝、整合MOS 、提高誤動作防止功能等，同時充電器連接端子的高耐壓化也是開發的重點。
包裝方面,目前已由SOT23-6漸漸的朝向SON6,將來還有CSP的Package,甚至COB產品的出現,用以滿足現在所強調的輕薄短小.
而保護IC也不是所有的功能都一定必須要用的,可根據不同的鋰電池材料開發出單一保護(如:只有過充保護或過放保護功能),可大大的減少成本及空間,這對我們來說可未嘗不是一件好事.
當然，功能元件單晶化是一致的目標，如目前行動電話製造商都朝向將保護IC、充電電路、電源管理IC等週邊電路集成單晶片，與邏輯IC構成雙晶片的晶片組，但目前要使Power MOS的開路阻抗降低，難以與其他IC合組，即使以特殊技術製成單晶片，恐怕成本將會過高，因此，保護IC的單晶化將需一段時間來解決。 |
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發表於 13-8-2007 14:46:48