鋰離子 電池 充電器 的原理和制作

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GY，這一款是否適合用在對講機上？

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鋰電池保護電路綜述
鋰離子電池保護電路包括過度充電保護、過電流�短路保護和過放電保護，要求過充電保護高精密度、保護IC功耗低、高耐壓以及零伏可充電等特性。本文詳細介紹了這三種保護電路的原理、新功能和特性要求。



近年來，PDA、數位相機、手機、可攜式音訊設備和藍芽設備等越來越多的產品採用鋰電池作為主要電源。鋰電池具有體積小、能量密度高、無記憶效應、迴圈壽命高、高電壓電池和自放電率低等優點，與鎳鎘、鎳氫電池不太一樣，鋰電池必須考慮充電、放電時的安全性，以防止特性劣化。針對鋰電池的過充、過度放電、過電流及短路保護很重要，所以通常都會在電池包內設計保護線路用以保護鋰電池。


由於鋰離子電池能量密度高，因此難以確保電池的安全性。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，因內壓上升而產生自燃或破裂的危險；反之，在過度放電狀態下，電解液因分解導致電池特性及耐久性劣化，因而降低可充電次數。


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，並防止特性劣化。鋰離子電池的保護電路是由保護IC及兩顆功率MOSFET所構成，其 中保護IC監視電池電壓，當有過度充電及放電狀態時切換到以外掛的功率MOSFET來保護電池，保護IC的功能有過度充電保護、過度放電保護和過電流�短 路保護。




一、過度充電保護

過度充電保護IC的原理為：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，需終止充電狀態。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）即啟動過度充電保護，將功率MOSFET由開轉為切斷，進而截止充電。


另外，還必須注意因噪音所產生的過度充電檢出誤動作，以免判定為過充保護。因此，需要設定延遲時間，並且延遲時間不能短於噪音的持續時間。


二、過度放電保護

在過度放電的情況下，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。採用鋰電池保護IC可以避免過度放電現象產生，實現電池保護功能。



過度放電保護IC原理：為了防止鋰電池的過度放電狀態，假設鋰電池接上負載，當鋰電池電壓低於其過度放電電壓檢測點（假定為2.3V）時將啟動過度放電保 護，使功率MOSFET由開轉變為切斷而截止放電，以避免電池過度放電現象產生，並將電池保持在低靜態電流的待機模式，此時的電流僅0.1μA。


當鋰電池接上充電器，且此時鋰電池電壓高於過度放電電壓時，過度放電保護功能方可解除。另外，考慮到脈衝放電的情況，過放電檢測電路設有延遲時間以避免產生誤動作。


三、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，為確保安全，必須使其立即停止放電。

過電流保護IC原理為，當放電電流過大或短路情況產生時，保護IC將啟動過（短路）電流保護，此時過電流的檢測是將功率MOSFET的Rds(on) 當成感應阻抗用以監測其電壓的下降情形，如果比所定的過電流檢測電壓還高則停止放電，運算公式為:
V- = I × Rds(on) × 2（V- 為過電流檢測電壓，I 為放電電流）
假設 V- = 0.2V，Rds(on) = 25mΩ，則保護電流的大小為 I = 4A

同樣地，過電流檢測也必須設有延遲時間以防有突發電流流入時產生誤動作。


通常在過電流產生後，若能去除過電流因素（例如馬上與負載脫離），將會恢復其正常狀態，可以再進行正常的充放電動作。


四、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，下面這些新的功能同樣值得關注：


1.充電時的過電流保護


當連接充電器進行充電時突然產生過電流（如充電器損壞），電路立即進行過電流檢測，此時Cout將由高轉為低，功率MOSFET由開轉為切斷，實現保護功能。

V- = I × Rds(on) × 2
　　（I 是充電電流；Vdet4，過電流檢測電壓，Vdet4 為 -0.1V）


2.過度充電時的鎖定模式


通常保護IC在過度充電保護時將經過一段延遲時間，然後就會將功率MOSFET切斷以達到保護的目的，當鋰電池電壓一直下降到解除點（過度充電滯後電壓）時 就會恢復，此時又會繼續充電→保護→放電→充電→放電。這種狀態的安全性問題將無法獲得有效解決，鋰電池將一直重複著充電→放電→充電→放電的動作，功率 MOSFET的柵極將反復地處於高低電壓交替狀態，這樣可能會使MOSFET變熱，還會降低電池壽命，因此鎖定模式很重要。假如鋰電保護電路在檢測到過度充電保護時有鎖定模式，MOSFET將不會變熱，且安全性相對提高很多。


在過度充電保護之後，只要充電器連接在電池包上，此時將進入過充鎖定模式。此時，即使鋰電池電壓下降也不會產生再充電的情形，將充電器移除並連接負載即可恢復充放電的狀態。


3.減少保護電路元件尺寸

將過度充電和短路保護用的延遲電容器整合在到保護IC裏面，以減少保護電路元件尺寸。
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750mA 獨立鋰離子電池充電器

淩 特公司（Linear Technology）推出完全集成的纖巧型獨立線性電池充電器 LTC4065 和 LTC4065A，這些器件能夠以高達 750mA 的電流為單節鋰離子電池充電，而並沒有器件或周圍元件過熱的風險。這些全功能積體電路具有計時器終止、再充電、涓流充電和 C/10 檢測 功能，採用微型 6 引線 2mm x 2mm DFN 封裝。一個完整的解決方案僅需兩個分立元件（輸入電容器和充電電流編程電阻），足以放入  2.5mm x 2.7mm x 0.75mm 的空間中。應用包括數碼相機、可擕式銷售點和診斷設備、蜂窩電話、PDA 以及具備 USB 介面的手 持產品。

LTC4065/A 無需外部 MOSFET、檢測電阻或隔離二極體。獲得專利的熱調節電路通過降低在高功率或高環境溫度工作時的充電電流，防止該積體電路的結溫超過 115oC。LTC4065/A 的其他特點包括用於充電終止的充電電流監視器輸出、一個準確度為 0.5%  的 4.2V 浮動電壓和 5% 充電準確度。充電電流可用標準成品電阻調節。該器件可用高達 5.5V 的電源工作，包括符合 USB 規範的電源和  5V 牆上適配器。在關斷時，電源電流僅為 30uA，電池漏電流低於 1uA。LTC4065A 具有開漏 AC 存在
狀態指示信號，用於表明諸如 牆上適配器等輸入電源的存在。

LTC4065EDC 和 LTC4065AEDC 的額定工作溫度範圍為 -40oC 至 85oC。以 1,000 片為單位批量購買，每片起價分別為 1.40 美元和 1.55 美元。
性能概要：LTC4065 和 LTC4065A

·    獨立充電器：終止、預充電、充電控制和再充電
·    C/10 充電電流檢測輸出
·    安全計時器終止
·    高達 750mA 和具有 ±5% 準確度的可編程充電電流
·    熱調節最大限度地提高充電速率，無過熱風險
·    用於充電終止的充電電流監視輸出
·    AC 存在狀態指示信號表明存在輸入電源（僅限於 LTC4065A）
·    無需外部 MOSFET、檢測電阻或隔離二極體
·    纖巧扁平（0.75mm）6 引線 2mm x 2mm DFN 封裝
LTC4065 和 LTC4065A的datasheet可以在21IC器件搜索獲得, 位址為
http://www.21icsearch.com