鋰電池為現今應用最廣且投入最多研發成本的電池能源,自從SONY發展鋰電池能源開始,至今,我們生活週遭的電子產品,都無法脫離鋰電池帶來的便利性及可攜性.但鋰電池與一般能源不同的是需要一額外的保護電路,以保證鋰電池使用的安全性,這同時也造成了鋰電池保護板市場蓬勃發展,而本文旨在提供一非常重要的保護觀念給各位作為參考依據.
鋰電池為現今各種可攜式行動設備的主要電池規格,舉凡手機、SMART PHONE、PDA、或是NOTEBOOK、平板電腦等,全部都離不開鋰離子或鋰高分子電池的範疇內,而本文主要探討的就是在手機及PDA在單一電池心(SINGLE-CELL)的保護運作方面,及如何提昇整體保護線路的穩定度以因應如此競爭激烈且規格要求越來越高的市場.
眾所週知,鋰電池均需一保護迴路用以維持鋰電池在固定限制電壓內正常的運作,而此保護迴路的主要的功用不外乎為過充電保護、過放電保護、過電流保護、突波電流保護等,這些相關的參數資料及設定方式均可在鋰電池保護IC規格中找到,這些相關的保護IC品牌如RICOH,MITSUMI等,均可達到以上的保護特性要求,在此不再贊述.
而穩定度的提昇主要在於保護電路板量產時的生產良率(YIELD)提高,及產品使用時信賴度的提昇(RELIABILITY),而且特別著重在安全能見度的重點範圍,這點就是現階段鋰電池保護板在測試時較少去注重的部份但又十分重要的關鍵.
拓蹼應用
實際的應用線路在PROTECTION IC的規格書上均可找到,簡單的說就是由一顆保護IC和兩個POWER MOSFET及一些R,C 作成一組合線路, 而保護IC則控制了兩個POWER MOSFET的閘極(GATE),以作為POWER MOSFET切換開關的控制腳.
在一般的應用設計上,POWER MOSFET為一COMMON Drain 連接的封裝, 可有效的節省保護電路板上的面積,以符合現今可攜式裝備的體積需求.應用線路及詳細說明請參考各類保護IC規格書所提供之應用線路
穩定性之關鍵參數
保護電路中,保護IC為其工作的心臟,而在一般的應用上,就如同前言所提到的,重點均在於過充電保護、過放電保護、及過電流保護.
保護IC中最重要的參數莫過於用在過電流保護功能中的偵測電壓值,由於在保護線路中過電流的偵測是依照V=IR歐姆定律,直接依照過的電流值來換算成電壓進行過電流的判斷比較,但一般的設計只注重在POWER MOSFET導通電阻值的選用上,若使用具有愈低導通電阻值的POWER MOSFET,則保護IC可以SENSOR 的過電流有效值愈高,就可用高於標準的過電流來達到電性規格的要求.
但一般設計者卻忽略了一點,就是當過電流發生時,負載端由80%-96%的LOADING急劇的降低到0.1%的LOADING,此時在鋰電池中為求電容量的C rate(放電速率)平衡,電壓也會發生暫態陡降的情形,而隨後會以逆向快速動作回復至一般電壓準位.
但由於保護IC中作為POWER MOSFET的控制腳電壓是直接經由IC內部BY-PASS & LOW PASS FILTER直接驅動,因此,在過電流發生的一瞬間(2uS-6uS)內,POWER MOSFET的閘極驅動電壓就會有變化,由此電壓的變化就會造成POWER MOSFET的導通電阻的急速漂移,並會間接造成過電流的電壓偵測也發生漂移的現象,為解決此一問題,並確實地提高保護線路的穩定性,則可以用下列兩種方法搭配進行微調:
A、 使用的POWER MOSFET要具有平原驅動電壓平穩的特性,此一特性 可直接反應在POWER MOSFET的Q值表現上,一般來說,Q值越快,造成CISS值越小,此時搭配15m-18mOhm導通電阻值的特性,則可以使得過電流測試的穩定度加強,據筆者的測試數據 ,3D semiconductor / DF6968E(Qg=15.5nC)及SANYO / FTD2017 等POWER MOSFET均具有這種特性,如此便可經由材料的電氣特性直接完成保護電路的微調,提高保護板在測試時的穩定度,並增加實際使用上的安全度.
B、 在兩個POWER MOSFET的源極端(SOURCE),並聯一顆小電容,作為POWER MOSFET兩端源極電壓平衡的功能,並可以預防兩顆POWER MOSFET同時導通進行放電工作時,Qg值發生暫態不平衡所造成的ESD現象.
另一需補充說明是在生產線上組裝BATTERY PACK後作過電流測試時,每一種廠牌保護IC在對於REBOOTING的程序及順序均有很大的不同,有的保護IC容許直接將測試的負載移開,保護IC內部會以PULL-HIGH作為檢測信號,形成REBOOTING的條件,此時保護板又可重新開啟,正常工作.
有的保護IC不只會偵測PULL-HIGH信號,也會同時在保護線路處於通路的狀態下,立即偵測線路的總體阻抗值並和保護IC內產生的一個標準值作一比較,所以,若POWER MOSFET的切換速度過快,則會造成保護IC無法即時的擷取到總體阻抗作一比較,則此時保護IC會處在於IDLE的狀態下,而一直等待REBOOTING的信號,此時若要REBOOTING則需一外加TRIGGER 電壓,加以REBOOTING.
以上這兩種不同的REBOOTING情況,需要相當仔細地依照保護IC的規格去作區別的,並針對不同的保護IC在生產線上作不同的檢測程式進行測試.
ESD說明
ESD (ELECTRO STATIC DISCHARGE)在電池相容及相關的測試上是一種相當重要的條件,但現在我們只探討ESD能力的提昇對於保護電路板/電池組整體穩定度的影響.
鋰離子電池搭配保護電路板形成電池組時,就可以成為各種可攜式裝備的能量來源,若此時可攜式裝備經過PA(POWER AMPLIFIER)進行RF 傳輸時,ESD對於鋰電池組的影響就會間接產生,所以,如何在保護線路板上進行ESD的防護就成為一門相當重要的課題.
由於鋰離子電池組的ESD測試是以ESD / HBM(HUMAN BODY MODEL) 作為主要的測試分類,而HBM的測試規範不外乎為MIL-STD、ESDA、JDEC-AEC,簡單的說就是使用合乎以上規範的ESD測試設備來進行以下的兩種測試:
A. CONTACT /8 KV : 是以ESD PROBING接觸保護電路板的輸出部份(B+、B-、ID、NTD‥)等,以檢測保護IC或POWER MOSFET有無被ESD擊穿.
B. AIR /15 KV : 是以ESD PROBING接觸鋰電池組的外殼(模具),以檢測保護IC或POWER MOSFET有無被ESD擊穿.
就保護IC規格書提供的制式應用線路上,可以發現在鋰離子電池供給保護IC的電壓迴路中就巳經利用R,C作為IC電壓輸入端VDD的ESD緩衝用,藉以增強保護IC對於ESD的抵抗能力,就放電能量來說,此一緩衝迴路就以足夠防範ESD.
另一需保護的元件就屬POWER MOSFET,所以一般用在鋰電池組的POWER MOSFET都具有相當好的ESD防護能力,但是為了更積極提昇保護電路板在ESD上的穩定性,就需選擇ESD防護能力更強的元件.
一般的鋰電池用的POWER MOSFET均具有ESD PROTECTION > 1.5KV(閘-源極導入測試),根據筆者測試各種的POWER MOSFET / ESD防護能力如下表, 供各位參考:
BRAND ITEM ESD PROTECTION
NEC UPA1870 >2KV
SANYO FTD2017 >2KV
3D SEMICONDUCTOR DF6968E >3KV
盼以上文章可以使各位讀者了解到各種保護參數及ESD防護對鋰電池保護板的穩定度的重要性.
