半导体集成电路在锂离子电池保护电路中的应用

第30卷第3期Vol. 30 No. 3微电子技术MICROEL ECTRON IC TECHNOLO GY总第145期2002年6月产品与应用半导体集成电路在锂离子电池保护电路中的应用王毅(航天科技集团西安微电子技术研究所，西安 710054 )-ru |l4 :卩H %d 二1 摘要：-z Lp芯苫飞抵:;；.割沁 : 114吕本文首先扼要介绍锂离子电池保护电路的功能，然后分别介绍过充电保护、过放电保护、过电流保护，最后列举几种保护性半导体IC的性能及应用电路的结构关键词:锂离子电池；保护集成电路中图分类号：TN43 文献标识码：A 文章编号：1008 - 0147 (2002) 03 - 41 - 07Applicatio n of Semic on ductor IC in Protective Circuit forLithium 2ion BatteryWAN G Yi(Xian Instit ute of Microelect ronic Technology , Group of Spaceflight S&T, Xian, 710054 , China)Abstract :This paper describesthe function of protective circuit for lithium 2ion battery first , then ,in troduces the over charg ing protectio n , over discharg ing protecti on and over curre nt protect ion re2 spectively , and fin ally , gives the characters and applicati on circuit of protective IC.Keywords :Lithium 2ion battery ; Protective IC1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第30卷第3期Vol. 30 No. 3微电子技术MICROEL ECTRON IC TECHNOLO GY总第145期2002年6月1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第30卷第3期Vol. 30 No. 3微电子技术MICROEL ECTRON IC TECHNOLO GY总第145期2002年6月收稿日期：2001 - 01 - 251 前言近年来，便携式电子机器大量涌现，携带电话、笔记本电脑、手提式 MD游戏机、数字摄像 和照相机、个人数字辅助机随处可见 。在这些为数 众多的电子产品中，普遍使用锂离子电池作为工作 电源。在国外，移动通信机使用的电源几乎全是锂 离子电池。但是，锂离子电池必须有过充电 、过放 电和过电流保护电路，否则极易损坏，不仅无法继 续使用，甚至还会危及主机。这种保护电路的主体 是半导体分立器件和集成电路 。最近，以携带电话为代表的电子产品的小型轻量化和以笔记本电脑用 的智能电池为代表的二次电池的高功能化，对电池及其保护电路提出了更高的要求。本文扼要介绍锂离子电池保护电路的各种功能，保护电路中使用的半导体分立器件及集成电路的工作，以及若干集成电路的特性和结构。2锂离子电池保护电路的功能锂离子电池会由于各种原因而损坏 ，例如接线 端短路、误用不符合要求的充电器等 。如果过充 电，就会导致电池温度升高，电池中的电解液分解1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第3期王 毅：半导体集成电路在锂离子电池保护电路中的应用43产生的气体使电池的内压增大，析出金属锂，电池有可能着火或破裂。如果电池过放电，电解液也会 分解，电池的性能恶化。为了确保过充电和过放电 状态下电池的安全性，防止电池性能的恶化 ，在锂 离子电池组中加入了保护电路。图1示出由2节电池组成的锂离子电池组的基本保护电路的结构，其主要构件是保护IC和场效应晶体管 （FET）。保护 IC控制电池的电压和 2只FET的栅极的导通或断 开，从而实现对充放电的控制 。图1锂离子电池组的基本保护电路锂离子电池保护电路必须具有过充电检测、过放电检测和过电流检测 3种功能，这3种功能都是 靠保护性IC实现的。在笔记本电脑中使用的智能 电池组中，也用微计算机替代保护IC实现软保护功能。下面以采用P沟道FET的3节电池串联的 锂离子电池组为例介绍使用保护IC的保护电路的基本功能。211通常状态下的保护功能在一般情况下，从电池向负载的放电和从充电 器向电池的充电是自由进行的。因此，如图2所示，图2通常状态下的保护电路用于控制的FET均处于开态。为了减少放电 时的损耗，要尽量使用导通电阻小的功率M0S2FET。212过充电保护功能在过充电保护功能中，当电池电压超过某一电 压即过充电检测电压时 ，用于充电控制的FET断开，禁止自充电器的电流向电池充电。但是，在过充电检测工作结束后，电池必须能向负载继续放电，如图3所示。图3过充电保护功能过充电检测后 的放电要通过充电控制用的 FET的寄生二极管，过充电检测电压范围不能与 充电控制用的IC的充电终止电压范围完全相同，而要选用更低的电压 。为了提高电池的安全性 ，并 可进行最大限度的充电，过充电检测电压的误差精 度要非常高。另外，过充电检测功能要与脉冲充电 相适应，为了防止噪声引起的误动作，过充电检测电路必须有延迟时间 。213过放电保护功能在过放电保护功能中，当电池电压下降到某一 电压值即过放电检测电压时，放电控制FET关断，禁止电池向负载放电。之后，如果接通充电器，通 过用于控制放电的 FET的寄生二极管再开始充电，如图4所示。在过放电保护功能中，为了防止电池 电压过分降低，保护电路的耗电量必须尽量接近 零。另外，为了与脉冲性放电相适应，过放电检测电路往往也必须有延迟时间。214过电流保护功能在过电流保护功能中，当负载中有大电流通过 时，用于放电控制的 FET断开，禁止电池向负载放电。这种保护功能的目的是保护电池和FET ,以及保护电池组在运输过程中的安全，如图5所示。过电流检测利用 FET的导通电阻,通过监控 FET两端的电压降来实现。一旦这种电压降大于额定值即电流检测电压 ，即禁止电池放电。过电流 检测结束后，接通负载，恢复到通常状态，即可放 电。随着FET导通电阻的逐年减小，要求过电流检测电压值更小，检测精度更高。另外，在过电流 检测中，为了适应连接电容性负载时的冲击电流，保护电路必须有延迟时间，如果没有，在连接该负 载的瞬间，由于这种冲击电流使过电流检测后停止 放电，那么，放电就永久性停止，不能再恢复。如1|果在过电流检测电路中设置延迟时间，负载短路时就能保护FET。所以，往往更多地应用兼备延迟 时间短又有负载短路检测功能的保护IC。3锂离子电池保护电路中的IC如上所述，锂离子电池保护电路的关键构件是半导体IC，可以说保护电路的功能是靠IC来实现的。理解了保护电路的各种功能后，再介绍保护IC的结构和特性，更便于读者了解和选用合适的IC。，日，日本。日本的，下面日本是锂离子电池的最大生产国和销售国 本的移动电话全部使用这种二次电池作电源 产的笔记本电脑，大多数也用锂离子电池 许多厂家都在生产锂离子电池保护集成电路 只介绍日本精工仪器公司生产的几种锂离子电池保 护IC的结构和特性。各个厂家的产品有所不同 各具特色。在锂离子电池组中，用途不同，串接的电池节 数也不同，当然保护电路的结构和 IC的特性亦各 异。表1列举了各种电池组的用途及精工仪器公司1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第3期王 毅：半导体集成电路在锂离子电池保护电路中的应用45表1电池组的用途及保护IC串接数量电压/ V用途精工仪器公司的保护IC1节316携带电话、PHS、MDS28241系列S28231系列2节712数字照相机、PDA、视盘机S28232系列S28244系列（二次保护）3节1018笔记本电脑S28233系列S28244系列（二次保护）4节1414笔记本电脑S28244系列（二次保护）311S28241系列必须采用小型封装，尽量减少外接元件。S28231单节电池组的主要用途是携带电话和PHS， 和S28241系列适用于单节电池的保护，尤其是S2对小型化和轻量化的要求更严格，因此，保护IC 8241系列采用超小型封装SOT22325，内含高精度1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第3期王 毅：半导体集成电路在锂离子电池保护电路中的应用#1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第3期王 毅：半导体集成电路在锂离子电池保护电路中的应用47电压检测电路和延迟电路，由于外接元件少，特别适用于携带电话用的电池组。S28241系列的主要特性如下所述。(1)内含高精度电压检测电路?过放电停止电压：117V- 318V 100mV?过电流1检测电压：0107V - 013V 20mV?过充电检测电压：319V -414V 25mV?过充电停止电压：318V -414V50mV?过放电检测电压：210V -310V80mV?过放电停止电压：210V -314V100mV?过电流1检测电压:0105V - 013V 30mV?过电流2检测电压:0105V 100mV(2) 充电器接线端使用高耐压器件，最大绝对额定电压为26V。(3) 由内部电路保证各种检测的延迟时间?过充电检测延迟时间：1s?过放电检测延迟时间：125ms?过电流1检测延迟时间：8ms?过电流2检测延迟时间：2ms?不需外接电容器?外接元件少、体积小、重量轻(4) 内含3级过电流检测电路(过电流1、过电流2、负载短路)、提高了防止负载软短路的安 全性。(5) 可以选择给0V电池充电功能的有或无 。(6) 具有充电器连接检测功能 、异常充电电流检测功能，确保了充电器电压过大时电池的安全。(7) 耗电量小?工作时的典型值：310uA?不工作时的最大值:011 uA(8) 工作温度范围宽?额定值：-40 C - + 85 C(9) 超小型封装：SOT22325图6示出S28241系列的结构框图，图7示出该系列的连接图即应用电路。312S28232 系列该系列是2节串联电池组的保护 IC。2节电池 组的用途更广泛，目前主要是便携式视频机、数字 照相机、PDA等。98232系列是低侧开关用的 (N沟FET使用)串联2节电池的保护 IC。下面 是S28232系列的主要特征。(1)内含高精度电压检测电路?过充电检测电压：319V - 416V 25mV?过充电停止电压：316V - 416V 50mV?过放电检测电压：117V - 216V 80mVi翔TKt ULJ 一/馆顽笫辭斤歸图6 S28241系列的结构框图图7 S28241系列的应用接线图(2) 使用高耐压器件?最大绝对额定值为18V(3) 用1个外接电容器可以设定过充电检测 过放电检测、过电流检测的延迟时间?延迟时间比分别为100 ：10 :(4) 内含2级过电流检测电路?过电流1、负载短路(5) 可以选择有或无向0V电池的充电功能(6) 耗电量小?工作时的最大值：1412uA?不工作时的最大值:011uA(7) 工作温度范围宽?额定值：-40 C - +85 C(8) 小型化封装：TSSOP (8引脚)图8示出该系列的结构框图，图9示出该系列 的应用电路。1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第3期王 毅：半导体集成电路在锂离子电池保护电路中的应用#1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第3期王 毅：半导体集成电路在锂离子电池保护电路中的应用4931388233 系列该系列是串联3节电池组的保护 IC ,是笔记 本电脑要求的高侧开关用的(P沟FET)电路，有A、B、C, 3个系列产品。S28233A系列的主要特征如下所述。V2VC2匚门3VSSCOVICDT过京电CCTDOPt&HEl rElJI JI TCOPCll.SENSVCC：3 22jxFVC0-.22JU.F$-胆訂ICTVSSDOcoVM图8 S28232系列的结构框图延迟旳測谟迟flR.1 Ik 门 芈Clk0.22 midFEiEB-图9 S28232系列的应用接线图(1)内含高精度电压检测电路?过充电检测电压： ?过充电停止电压： ?过放电检测电压： ?过放电停止电压： ?过电流1检测电压 ?过电流2检测电压411V - 4135V 50mV3185V - 4135V 100mV210V - 217V 80mV210V - 3仃V 100mV:0115V - 015V 10 %:016V 10%(2)使用高耐压器件?最大绝对额定值：26V(3)可用外接电容器设定过充电检测 、过放电 检测、过电流检测的延迟时间(4)内含3级过电流检测电路?过电流1、过电流2、负载短路(5) 可以选择有或无向0V电池的充电功能(6) 耗电量小?工作时的最大值：50uA?不工作时的最大值:011uA(7) 采用TSSOP16引脚的薄型封装B系列IC是过充电检测精度为 25mV的高 精度保护电路，其他性能与 A系列相同。C系列 除具有A系列和B系列的特征外，还具有过充电、 过放电、过电流各自状态的输出功能 。图10示出S28233 A系列的结构框图。图11示出S28233A系列的应用线路图。VCCCDIV：LCD2CD?VSS-电仙Lt-ih.nkJilk图10 S28233A系列的结构框图Ikfl电池2L3竝过充电 延跚间电 延迟甘间ELI2 EBvcc1VMP1CUIfn沟nn订 M弼丿CTLvriCMS-K233ACCrVC2COTcmCOVTUNDlE常找态 理充吋您止充欣电VMPCOV1CDTt：CTDOTCOPCTL由Hisli善止L洒电幽窟设宦ii电汰图11S28233A系列的应用电路1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第3期王 毅：半导体集成电路在锂离子电池保护电路中的应用51314S28244 系列这是锂离子电池组使用的二次保护集成电路。所谓二次保护，就是对主要保护功能失效或故障进 行二重保护，确保电池不被损坏。在使用微电脑的 保护电路中，二次保护必不可少。以往，除保护IC外，还设计了热熔丝等，但是近年来，为了监控电池电压，一些厂家开发了新的保护元件，如日本索尼化学公司的 SC保护器，其工作原理是通过 给加热器的电阻体通电、使熔丝强制性熔断。S28244系列电路适用于1节-4节电池串联连 接的电池组，是非常好的二次保护 IC。该电路的 主要特征如下所述。（1）内含高精度电压检测电路?过充电检测电压：317V - 415V 25mV（2）使用高耐压器件?最大绝对额定电压：26V（3）工作电压范围宽?316V - 24V（4）可用外接电容器设定过充电检测的延迟时间（5）耗电量小?每节电池为315V时最大耗电流为 310yA?每节电池为213V时最大耗电流为214uA（6）可以选择输出状态和输出逻辑电平?CMOS 输出：Active “ H ”（高电平）?CMOS 输出：Active “L”（低电平）?N沟道开路漏输出：Active “H”（高电平） ?P沟道开路漏输出：Active “L”（低电平）（7）小型封装 MSOP （8引脚）图12示出该电路的结构框图，图13示出该电 路的应用电路。图14示出在二次保护中使用88244电路的智能电池的结构。M61040FP是日本精工仪器公司和 三菱电机公司共同开发的用于智能电池的保护IC ,这是单芯片IC,内含微电脑和半导体裸芯片，可以实现二次保护以外的功能。由于外接元件少，可 以构成智能电池系统，有利于电子系统的小型化。4结束语锂离子电池的发展方向是使用寿命更长（充放电次数更多）、容量更大、更加小轻薄、更加安全 可靠。锂聚合物电池已经达到实用化 。智能化锂离 子电池日渐普及。与之适应，锂离子电池保护 IC的发展也很快，主要趋向有三，其一是将保护IC 与充放电控制器件 FET包封在1个封装内，形成 多芯片封装（MCP）的单个电路；其二是将保护IC、FET裸芯片与必须的电阻器、电容器等贴装在一个基板上，制成COB （板上芯片）形式的混 合电路或模块；其三是全部智能化，集锂电池保护 IC、充电控制IC、微电脑于一体，包括一次保护、 二次保护、三次保护于一身。所有这一切都是为了 使锂离子电池更好的应用于各种类型的便携式电子 信息机器，当然，要达到上述目标，一靠市场即应 用的拉动，二靠技术尤其是微电子技术的推动，三.a靠应用开发技术。三力合一，锂离子电池及其保护图12 S28244系列的结构框图1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 64微电子技术3系统应用主要成效中转库计算机管理系统已成功应用于我单位电路中转库的管理。经过一年多的应用证明，本系统 给我单位生产管理带来了显著效益。311及时准确掌握生产运行情况本系统是建立在我单位局域网之上的网络应用管理系统。本系统的使用使所内各级管理人员均可 以以相应的权限对该系统中的数据实施查询和管 理。该系统的使用使管理人员更便于快速准确地掌 握电路运行情况。跟踪电路运行状态，对及时指导 生产、协调生产带来了积极的作用。|312减轻了劳动强度，极大提高了管理效率运行数据的录入、处理、查询及转递等全部实 现了计算机化的帐务管理；系统还提供了灵活多样 的查询方式，为有效利用数据、分析数据提供了高 效的手段；系统的使用还避免了数据重复记录、前后不一致等现象的发生，减少了人为失误因素的影 响，规范化了中转库的管理。至系统试运行二个月后，中转库管理人员已完 全摒弃了手工记帐方式。原来一个多角度、多方面的查询需要管理人员 手工统计半天，而现在只需要十几秒种就可以完 成，大大提高了工作效率，减轻了工作人员的劳动 强度，使中转库的管理水平跨上了一个新台阶。313增强了现代化管理意识中转库管理系统应用之后，各级管理人员进一 步尝到了使用科学技术的甜头，拓宽了分析思路部门级的管理人员自觉使用本系统分析数据，并及1时提出新的设想和建议，对系统的推广使用及今后 的完善起到了积极的推动作用。系统应用一年多以来得到用户的一致好评。参考文献：1 郑人杰等编著.实用软件工程.北京：清华大学岀版社，1997，4.1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 64微电子技术1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 64微电子技术（上接第46页）cvcy-R.1N12DFOUT氏 INJiVCC：VIN Icrwb1.IGNDCINVDDX/kEFVJjlEGVr-Fn宀陞匚口OGN13 AGNDAIL) rVtx； Clou FKUTJJAINI ON11IUN3CZbCIN 3RIN4 f1-CJN4PJ也Arzri;Ft($强FkCKRSI-NCE图14智能电池的结构OUT SENCE1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 64微电子技术1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 64微电子技术参考文献：（略）1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.