可有效止损的电池保护IC电路的原理揭秘

近年来随着科技产品的井喷式的发展，其中非常重要的配件之一——充电电池也变得越来越备受关注。可以说工程师们基本都了解在充电电池使用过程中，过充电、过放电和过电流是影响电池使用寿命和性能的主要因素，充电电池保护IC通过保护环路有效监测并防止对电池产生损害。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。

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。

关于锂离子充电电池的保护，必须具有3个保护功能。首先是过充监测 防止电池的特性劣化、起火及破裂，确保安全性。其次是过放监测 防止电池特性劣化，确保电池的使用寿命。最后是过电流监测 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。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。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。

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。

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。