鋰電池為現(xiàn)今應(yīng)用最廣且投入最多研發(fā)成本的電池能源,自從SONY發(fā)展鋰電池能源開始,至今,我們生活週遭的電子產(chǎn)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(fā)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(jù).
鋰電池為現(xiàn)今各種可攜式行動設(shè)備的主要電池規(guī)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(fàn)疇內(nèi),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(wěn)定度以因應(yīng)如此競爭激烈且規(guī)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(nèi)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(guān)的參數(shù)資料及設(shè)定方式均可在鋰電池保護IC規(guī)格中找到,這些相關(guān)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(wěn)定度的提昇主要在於保護電路板量產(chǎn)時的生產(chǎn)良率(YIELD)提高,及產(chǎn)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(fàn)圍,這點就是現(xiàn)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(guān)鍵.

拓蹼應(yīng)用
實際的應(yīng)用線路在PROTECTION IC的規(guī)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(guān)的控制腳.

在一般的應(yīng)用設(shè)計上,POWER MOSFET為一COMMON Drain 連接的封裝, 可有效的節(jié)省保護電路板上的面積,以符合現(xiàn)今可攜式裝備的體積需求.應(yīng)用線路及詳細說明請參考各類保護IC規(guī)格書所提供之應(yīng)用線路

穩(wěn)定性之關(guān)鍵參數(shù)

保護電路中,保護IC為其工作的心臟,而在一般的應(yīng)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(shù)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(shè)計只注重在POWER MOSFET導(dǎo)通電阻值的選用上,若使用具有愈低導(dǎo)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(biāo)準的過電流來達到電性規(guī)格的要求.

但一般設(shè)計者卻忽略了一點,就是當(dāng)過電流發(fā)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(fā)生暫態(tài)陡降的情形,而隨後會以逆向快速動作回復(fù)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(jīng)由IC內(nèi)部BY-PASS & LOW PASS FILTER直接驅(qū)動,因此,在過電流發(fā)生的一瞬間(2uS-6uS)內(nèi),POWER MOSFET的閘極驅(qū)動電壓就會有變化,由此電壓的變化就會造成POWER MOSFET的導(dǎo)通電阻的急速漂移,並會間接造成過電流的電壓偵測也發(fā)生漂移的現(xiàn)象,為解決此一問題,並確實地提高保護線路的穩(wěn)定性,則可以用下列兩種方法搭配進行微調(diào):

A、 使用的POWER MOSFET要具有平原驅(qū)動電壓平穩(wěn)的特性,此一特性 可直接反應(yīng)在POWER MOSFET的Q值表現(xiàn)上,一般來說,Q值越快,造成CISS值越小,此時搭配15m-18mOhm導(dǎo)通電阻值的特性,則可以使得過電流測試的穩(wěn)定度加強,據(jù)筆者的測試數(shù)據(jù) ,3D semiconductor / DF6968E(Qg=15.5nC)及SANYO / FTD2017 等POWER MOSFET均具有這種特性,如此便可經(jīng)由材料的電氣特性直接完成保護電路的微調(diào),提高保護板在測試時的穩(wěn)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(lián)一顆小電容,作為POWER MOSFET兩端源極電壓平衡的功能,並可以預(yù)防兩顆POWER MOSFET同時導(dǎo)通進行放電工作時,Qg值發(fā)生暫態(tài)不平衡所造成的ESD現(xiàn)象.

另一需補充說明是在生產(chǎn)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(nèi)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(tài)下,立即偵測線路的總體阻抗值並和保護IC內(nèi)產(chǎn)生的一個標(biāo)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(tài)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(dāng)仔細地依照保護IC的規(guī)格去作區(qū)別的,並針對不同的保護IC在生產(chǎn)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(guān)的測試上是一種相當(dāng)重要的條件,但現(xiàn)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(wěn)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(jīng)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(chǎn)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(dāng)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(guī)範(fàn)不外乎為MIL-STD、ESDA、JDEC-AEC,簡單的說就是使用合乎以上規(guī)範(fàn)的ESD測試設(shè)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(guī)格書提供的制式應(yīng)用線路上,可以發(fā)現(xiàn)在鋰離子電池供給保護IC的電壓迴路中就巳經(jīng)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(fàn)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(dāng)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(wěn)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(dǎo)入測試),根據(jù)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(shù)及ESD防護對鋰電池保護板的穩(wěn)定度的重要性.