二次电池充电控制与保护LSI技术

西风破

　随着便携式设备不断小型化、轻量化和高性能化，普及率日益提高，作为其电源的二次电池市场正迅速蔓延。目前，二次电池的主流是锂离子二次电池。
　　关于锂离子二次电池
* `# E4 T7 ^+ x9 H& {* ?　　锂离子二次电池的优点是体积能是密度与重量能量密度高，比之过去的二次电池（镍镉蓄电池、镍氢电池），能做到容量大、重量轻。此外，由于没有过去二次电池具有的存储效应（反复浅充放电其电池容量看似降低的现象），即使电池完全不充电，在放电完了时也可进行足量的充电。而且由于不用汞、镉、铝等公害限制物质，正作为环保电池受到关注。
1 W0 S% |# d6 M4 I( ^0 W0 U7 J8 W　　但另一方面，由于锂离子二次电池具有过充电引发的起火和过放电导致的特性下降的危险，如不进行精密的电压电流管理，便不能发挥其性能。充电时，如单个电池的电压超过约4.5V，由于电解液的分解会产生气体，电池内部的压力上升，压力开放阈（安全阀）起动而出现漏液。而单个电池在约1.5V以下的过放电状态，负极集电体的铜开始溶于电解液，电池性能下降。为了保护电池免遭这些不当的使用，单个电池都装有几种安全机构，一旦这些安全机构工作，电池便不能使用。
" F% Q( W( G) c) ?　　为此，在电池组内设置保护电路，在发生这种状态之前，由保护电路监视每个电池。一旦达到过充电、过放电及过电流状态便断开电路，防患于未然。一旦状态恢复正常，电池仍可继续使用。
　　电池组电路构成
　　电池组的电路构成，它包含锂离子二次电池、阻断充放电电流的开关元件（MOSFET）及保护电路。保护电路监视电池的充放电电压和电流，一当达到异常状态，便置阻断电流的FET于断开状态，切断电池组与充电器或负载间的联系，控制充放电电流。在多个电池的情况下，即使电池的总电压在正常范围，也有必要判断各个电池异常的情况，因此必须监视电池组内每个电池的电压。
. W+ q8 T9 }1 o" F9 U4 x" T　　保护电路
　　锂离子二次电池的充放电保护电路大体有三种功能：过充电保护、过放电保护和过电流保护。过充电保护是因为如在过充电状态下继续充电，电池电压上升有发生起火冒烟的危险，而使之不能充电。过放电保护是由于继续过放电状态会缩短电池寿命，降低电池性能，而在达到过放电之前使放电停止。过电流保护则是防止电池组端子短路引起过热或负载电路异常等引起的过大电流。
; W' J0 \" `8 l: J9 K! f& J7 m除这些基本功能外，对保护电路还有以下要求，它们正是锂离子保护IC的特点：
　　超低消耗电流驱动
保护电路除异常情况外不工作，但在工作时，其消耗电流会是电池组的损耗。因此，通常工作时的消耗电流要尽量降低。BA3164FV实现的超低消耗电流为：通常消耗电流（电池电压4.0V）时最大10μA（典型值6.5μA），待用（电池电压3.0V）时最大1.0μA（典型值0.75μA）。
' r* a1 R) [' P9 W9 D% Q　　高精度检测电压
# _. a  n# `' U: f+ C: _过充电检测要求高精度，这是因为过充电检测电压的最大值由电池的最大定额决定，如检测电压精度不佳，在100%充电之前便不能充电了，这会降低电池的容量。
+ S4 P- v" \* Y, l4 e/ B  ^　　同样的理由充电控制电压也要求高精度。BD315X系列（开发中）为实现高精度，通过IC内部的芯片布局、器件及构成电路的研究，达到了业界最高水平±0.6%(4.225V±25mV)的检测精度。
　　高精度低耗电的系统检测IC

　　日本罗姆公司的系统检测IC正迅速普及，取得了许多业绩。该公司备有不同通道数、保护电路和控制逻辑的多种系列，适应不同的需要。
9 z+ e0 R$ i, U1 ?9 p5 u! a　　锂离子保护IC实现的低功耗高精度电压检测技术与该公司的Bi-CMOS加工相结合，该公司进行了“备用锂电池切换控制IC”的BD4180FV系列的开发。该IC在主电池消耗时，能切换备用小型锂电池，使存储器等仍能保持数据。这次开发的BD4180FV系列装有3块CMOS调节器，且消耗最大为15μA（无负载时），仅为过去的1/3，而具优异的性能。
　　罗姆低功耗高精度的系统检测IC技术可望应用于各种机种。对于以笔记本电脑、袖珍录像机、数字相机为首的便携式设备及需要高精度电压控制的设备，积极采用上述技术，将有助于便携设备进一步小型化、低功耗化和高精度化。