ポータブルリチウム電池保護回路

近年、PDA、デジタルカメラ、携帯電話、ポータブルオーディオ機器、Bluetoothデバイスなど、リチウム電池を主電源として使用する製品が増えています。リチウム電池は、小型、高エネルギー密度、メモリー効果なし、高サイクル寿命、高電圧電池、低自己放電率などの利点があります。ニッケルカドミウム電池やニッケル水素化物電池とは異なり、リチウム電池は安全性を考慮する必要があります。特性劣化を防ぐため、充電中および放電中。リチウム電池の過充電、過放電、過電流、および短絡に対する保護は非常に重要であるため、保護ラインは通常、リチウム電池を保護するためにバッテリーパックに設計されています。

リチウムイオン電池はエネルギー密度が高いため、電池の安全性を確保することは困難です。過充電状態では、バッテリーの温度が上昇するとエネルギーが過剰になり、電解液が分解してガスが発生し、内圧が上昇して自然発火や破裂の危険があります。一方、過放電の場合、電解液は分解により電池の特性や耐久性を低下させ、充電回数を減らします。

リチウムイオン電池の保護回路は、このような過充電および放電状態の安全性を確保し、特性の劣化を防ぐためのものです。リチウムイオン電池の保護回路は、保護ICと2つのパワーMOSFETで構成されており、保護ICは電池電圧を監視し、過充電および放電状態になると外部にぶら下がっているパワーMOSFETに切り替えて電池を保護します。機能には、過充電保護、過放電保護、および過電流/短絡保護が含まれます。

I.過充電保護

過充電保護ICの原理は次のとおりです。外部充電器がリチウム電池を充電するとき、温度上昇による内圧の上昇を防ぐために、充電状態を終了します。この時点で、保護ICはバッテリ電圧を検出する必要があり、4.25vに達すると（バッテリの過充電ポイントが4.25vであると想定）、過充電保護をアクティブにして、パワーMOSFETをオンからオフに切り替えて遮断します。充電中。

また、過充電保護と判断されないように、過充電検出エラー動作によるノイズにも注意を払う必要があります。したがって、遅延時間を設定する必要があり、遅延時間はノイズの持続時間より短くすることはできません。

過放電保護

過放電の場合、電解液は分解によりバッテリーの特性を低下させ、充電時間を短縮します。リチウム電池保護ICは、過放電を防ぎ、電池保護機能を実現します。

過放電保護ICの原理：リチウム電池が負荷に接続されていると仮定して、リチウム電池の過放電を防止するために、リチウム電池の電圧が過放電電圧のテストポイント（2.3 V）よりも低い場合にアクティブになると仮定します過度の放電保護、過度のバッテリー放電現象を回避するために、パワーMOSFETを開いて放電によって遮断し、バッテリーを低静電流スタンバイモードに保つと、電流はわずか0.1μAです。

リチウム電池を充電器に接続し、リチウム電池の電圧が過放電電圧よりも高い場合、過放電保護機能を解除することができます。また、パルス放電の状況を考慮して、過放電検出回路に遅延時間を設定し、誤動作を防止しています。

過電流と短絡電流

未知の理由（放電または正極と負極が誤って金属物に触れた場合）による過電流または短絡の安全性を確保するために、放電を直ちに停止する必要があります。

過電流保護ICの原理では、放電電流が大きすぎるか、短絡が発生すると、保護ICが短絡電流保護をアクティブにします。このテスト時の過電流は、監視する誘導インピーダンスとしてMOSFET Rds（オン）に電力を供給します。その電圧降下は、過電流検出電圧によって設定された値よりも高い場合、放電停止であり、計算式は次のとおりです。

V- = I Rds（on）2（V-は過電流検出電圧、Iは放電電流）

V- = 0.2 V、Rds（on）=25mΩと仮定し、I = 4aの現在のサイズを保護します。

同様に、過電流検出には、誤った動作を引き起こすために突然の電流の流入があった場合に備えて、遅延時間が必要です。

通常、過電流が発生した後、過電流要因を取り除くことができれば（たとえば、負荷からすぐに分離される）、通常の状態に戻り、通常の充電および放電動作を実行できます。再び。

Iv。リチウム電池保護ICの新機能

上記のリチウム電池保護IC機能に加えて、以下の新機能も注目に値します。

1.充電中の過電流保護

充電器が充電用に接続されていて、突然過電流が発生した場合（充電器が損傷した場合など）、回路はすぐに過電流を検出します。このとき、Coutをハイからローに変更し、パワーMOSFETをオンからオフに変更して保護機能を実現します。

Vマイナスラムダは2倍のRdsの1倍です

（Iは充電電流です。Vdet4、過電流検出電圧、Vdet4は-0.1vです）

2.過充電中のロックモード

通常、保護ICは、リチウム電池の電圧がリリースポイント（過充電遅れ電圧）まで低下すると、過充電保護で遅延時間を経て、保護の目的を達成するためにパワーMOSFETを遮断します。回復しますが、この時点で保護放電充電放電を充電し続けます。この状態での安全上の問題は効果的に解決できません。リチウム電池は充電、放電、充電、放電の動作を繰り返し、パワーMOSFETのゲートは高電圧と低電圧の交互状態になり、MOSFETが高温になり、電池の寿命が短くなる可能性があります。したがって、ロックモードは非常に重要です。過充電保護が検出されたときにリチウムイオン保護回路にロックモードがあると、MOSFETは熱くならず、比較的安全になります。

過充電保護後、充電器がバッテリーパックに接続されている限り、過充電ロックモードになります。このとき、リチウム電池の電圧が下がっても充電はありません。充電器を取り外し、負荷を接続することで、充電と放電の状態を復元できます。

3.保護回路コンポーネントのサイズを縮小します

過充電および短絡保護遅延コンデンサを保護ICに統合して、保護回路コンポーネントのサイズを縮小します。

5、IC性能要件の保護

1.高精度の過充電保護

リチウムイオン電池が過充電状態の場合、温度上昇による内圧上昇を防ぐため、充電状態を遮断する必要があります。保護ICはバッテリ電圧を検出し、過充電が検出されると、パワーMOSFETが過充電を検出すると、バッテリ電圧が遮断され、充電のために遮断されます。このとき、過充電の検出電圧は高精度であることに注意してください。バッテリーを充電するときは、安全性を考慮しながら、バッテリーを完全な状態に充電することがユーザーにとって大きな懸念事項です。そのため、許容電圧に達した時点で充電状態を遮断する必要があります。 2つの条件を満たすためには、高精度の検出器が必要です。現在、検波器の精度は25mVであり、さらに精度が向上します。

2.保護ICの消費電力を削減します

使用時間の増加に伴い、充電されたリチウムイオン電池の電圧は徐々に低下し、最終的には標準値を下回ります。このとき、充電する必要があります。充電せずにバッテリーを使い続けると、過放電によりバッテリーを使い続けることができない場合があります。過度の放電を防ぐために、保護ICはバッテリ電圧をテストする必要があります。過放電の検出電圧以下の電圧に達したら、放電側のパワーMOSFETを遮断して放電を停止する必要があります。ただし、現時点では、バッテリー自体に保護ICの自然放電と消費電流が残っているため、保護ICの消費電流を最小限に抑える必要があります。

3.過電流/短絡保護には、低い検出電圧と高精度が必要です

不明な理由で短絡が発生した場合は、直ちに放電を停止する必要があります。過電流の検出は、電圧降下を監視するための誘導インピーダンスとしてのパワーMOSFETのRds（オン）に基づいています。このとき、過電流の検出電圧より高い場合は放電を停止します。充電電流および放電電流の印加時にパワーMOSFETのRds（オン）を有効にするには、可能な限り低インピーダンス値を作成する必要があります。現在のインピーダンスは約20mΩ〜30mΩです。電圧を下げることができます。

4.高電圧抵抗

バッテリーパックを充電器に接続すると瞬時に高電圧が発生するため、保護ICは高電圧抵抗の要件を満たす必要があります。

5.低バッテリー消費電力

保護された状態では、静的消費電力は0.1A小さくする必要があります。

ゼロボルト充電式

保管の過程で、一部のバッテリーは、電圧を0Vに下げるには長すぎるか異常な理由で置かれる可能性があるため、保護ICを0Vにする必要があります。

Vi。 IC開発の展望

以上のように、今後、保護ICは検出電圧の精度をさらに向上させ、保護ICの消費電力を削減し、誤動作防止機能などを向上させます。同時に、充電器接続端子の高電圧抵抗はまた、研究開発の焦点。パッケージングに関しては、sot23-6は徐々にSON6パッケージングに移行しており、将来的にはCSPパッケージング、さらにはCOB製品でさえ、現在の薄型軽量の要件に対応する予定です。

機能面では、保護ICがすべての機能を統合する必要はありません。過充電保護や過放電保護など、さまざまなリチウム電池材料に応じて単一の保護ICを開発できるため、コストとサイズを大幅に削減できます。

もちろん、単結晶の機能部品は同じ目標であり、携帯電話メーカーが現在直面しているのは、IC、充電回路、電力管理ICを保護し、他の周辺回路とロジックICはデュアルチップチップセットを構成しますが、現時点では、開回路インピーダンスパワーMOSFETを低減するために、他のICとハードインテグレーションし、特定の技術をシングルチップにしたとしても、コストが高くなるのではないかと心配しています。したがって、IC単結晶の保護は解決に時間がかかります。

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