基于UCC3957的鋰離子電池充電保護(hù)集成電路

鋰離子電池特點

鋰離子電池與其他電池相比，主要有以下優(yōu)點：

1.電壓高

所標(biāo)志的開路電壓通常為3.6V，而鎳氫和鎳鎘電池的開路電壓為1.2V.

2.容量大

能量高、儲存能量密度大，是鋰電池的核心價值所在，以同樣輸出功率而言，鋰離子電池的重量不但比鎳氫電池輕一半，體積也小20%.

3.放電率

鋰離子電池的充電速度較快，僅需要1~2小時(h)的時間就可充電，達(dá)到最佳狀態(tài);同時，鋰離子電池的漏電量極少，即使隨意放置1~2周后再拿出來用時，一樣能發(fā)揮電力、照常工作;鋰離子電池的自放電率低<8%/月，遠(yuǎn)低于鎳鎘電池的30%和鎳氫電池的40%。

4.鋰離子電池沒有"記憶效應(yīng)"，所以鋰離子電池可以在未完全放電的條件下充電而不會降低其容量。但是如果鋰離子電池已充足電還要繼續(xù)充電(過充電)，則會損壞電池,鋰離子電池是目前應(yīng)用非常廣泛的可充電電池。

二、鋰離子電池的充電特性

鋰離子電池在充電過程中，電池的電壓和充電電流都會隨充電時間而發(fā)生變化，其變化規(guī)律如圖1所示。

圖1 鋰離子電池的充電特性曲線

鋰離子電池充電需要控制它的充電電壓，限制充電電流和精確檢測電池電壓。鋰離子電池的充電特性與鎘鎳、鎳氫的充電特性完全不同。鋰離子電池可以在它的放電周期內(nèi)任一點充電，并且可以非常有效的保持它的電荷，保持時間比鎳氫電池長兩倍以上，重量輕，其重量只有同容量鎘鎳電池的1/2，比質(zhì)量密度是鎘鎳電池的4倍。鋰離子電池開始充電時，電壓緩慢上升，充電電流逐漸減小，當(dāng)電池電壓達(dá)到4.2V左右時，電池電壓基本不變，充電電流繼續(xù)下降，判斷鋰離子電池充電是否結(jié)束的方法是利用檢測它的充電電流，當(dāng)它的充電電流下降至某一定值時結(jié)束充電。例如鋰離子電池的充電電流降到40mA(典型值為起始充電電流的 5%左右)時結(jié)束充電，也可以在檢測到鋰離子電池達(dá)到4.2V時啟動定時器，在一定的時延后結(jié)束充電。這時充電電路應(yīng)有一個精度較高的電池電壓檢測電路，以防止鋰離子電池過充電。需要指出的是，鋰離子電池不需要涓流充電。

UCC3957的主要特點

UCC3957是采用BiCMOS工藝的3/4節(jié)鋰離子電池組充電器保護(hù)用控制集成電路。它與外部的P溝道MOSFET晶體管一起對電池組充電實現(xiàn)兩級過電流保護(hù)，如果達(dá)到第一級過電流閥值電位時，保護(hù)電路以按用戶設(shè)定的保護(hù)時間，將外接電容放電，如果第一級保護(hù)時間到，電池過充、放電故障仍未排除，外接保護(hù)定時電容放電MOSFET以17倍于第一級保護(hù)時間關(guān)斷，實施第二級保護(hù)，這對容性負(fù)載是很有用的。UCC3957在休眠工作模式下的耗電僅為3.5μA，典型工作電流為30μA，直流工作電壓范圍為6.5∽20V，充電過電流保護(hù)延時時間可通過調(diào)節(jié)外接元件參數(shù)的辦法實現(xiàn)。使用外部P溝道 MOSFET晶體管的優(yōu)點是，可以保護(hù)任一節(jié)電池過放電和過充電，并保護(hù)電池組及UCC3957集成電路本身。

1、UCC3957的工作原理框圖與引腳功能

UCC3957的工作原理框圖如圖2所示。

圖2 UCC3957的工作原理框圖

由圖2可見，利用UCC3957內(nèi)部的工作狀態(tài)選擇器可以選擇UCC3957的工作狀態(tài)，當(dāng)工作于持續(xù)工作狀態(tài)時可以保護(hù)每一節(jié)鋰離子電池，使其免于過充電和過放電。而過電流控制器則用于保護(hù)電池組不致產(chǎn)生過大的放電電流，而損壞電池組。

為配合不同廠家生產(chǎn)的鋰電池，UCC3957系列集成電路有表1所示的4種不同的過電壓保護(hù)門限值。

表1 UCC3957-X的過電壓保護(hù)門限值(V)

UCC3957的引腳圖如圖3所示。

UCC3957的各引腳功能如下：

引腳1VDD：該引腳為UCC3957的電源供電輸入引腳，輸入電壓范圍為6.5~20V，與電池組的高電位端連接。

引腳2CLCNT：該引腳為設(shè)定UCC3957工作在三節(jié)或四節(jié)電池充電工作狀態(tài)的引腳。

引腳3WU：該引腳為當(dāng)UCC3957處于休眠工作狀態(tài)時，在此腳加信號可喚醒UCC3957進(jìn)入正常工作狀態(tài)，此引腳應(yīng)接到N溝道電平轉(zhuǎn)移MOSFET晶體管的漏極。

引腳4AN1：該引腳為與最高電位的第1節(jié)電池的負(fù)極及第2節(jié)電池正極相連的引腳。

引腳5AN2：該引腳為最高電位的第2節(jié)電池的負(fù)極及第3節(jié)電池正極相連的引腳。

引腳6AN3：該引腳為最低電位的第3節(jié)電池的負(fù)極及第4節(jié)電池正極相連的引腳，當(dāng)只有3節(jié)電池時與電池組的低電位端及AN4引腳相連。

引腳7和11引腳AN4：該引腳與電池組的低電位端相連，并和電流檢測電阻的高電位端連接。

引腳8BATLO：該引腳為與電池組的負(fù)電位端連接的引腳，同時和電流檢測電阻的低電位端相連接。

引腳9CHGEN：該引腳為充電使能引腳，該引腳為高電平時電池組開始充電。

引腳10CDLY1：該引腳為短路保護(hù)的延遲時間控制引腳，在該引腳與AN4引腳間連接電容的數(shù)值決定過電流的時間，當(dāng)過電流時控制放電MOSFET晶體管的關(guān)斷時間，電容的數(shù)值也決定打嗝兒過電流保護(hù)的時間。

引腳12CHG：該引腳為連接外接可控制N溝道MOSFET晶體管的引腳，而該外接N溝道MOSFET晶體管又可以用來驅(qū)動外接P溝道MOSFET管，如果有任一節(jié)電池電壓高于過電壓保護(hù)閥值電位，則該引腳相對AN4引腳被置低電位；只有當(dāng)所有被充電的單節(jié)電池電壓低于該閥值電位，則該引腳置高電位。

引腳13DCHG：該引腳為用于預(yù)防電池過放電的引腳。如果UCC3957內(nèi)部的工作狀態(tài)檢測器判斷到任一節(jié)電池處于欠電壓狀態(tài)，則引腳DCHG被置高電位以使外部放電P溝道MOSFET晶體管關(guān)斷，但當(dāng)所有電池的電壓高于最低閥值電位時，引腳DCHG被置低電位。

引腳14CDLY2：該引腳與AN4引腳之間接一只電容，以延長第二級過電流保護(hù)的保護(hù)設(shè)定時間。

引腳15AVDD：該引腳與為內(nèi)部模擬電路電源的供電引腳，通過0.1μF電容與AN4引腳相連，正常工作電壓為7.3V.

引腳16DVDD：該引腳與為內(nèi)部數(shù)字電路電源的供電引腳，通過0.1μF電容與AN4引腳相連，正常工作電壓為7.3V.

UCC3957的工作原理與典型應(yīng)用電路

1、UCC3957的工作原理

UCC3957可以對3節(jié)或4節(jié)鋰電池組提供防止電池過充電、過放電及過電流充、放電等故障的全面保護(hù)功能，它對電池組內(nèi)的每一節(jié)電池電壓采樣并與內(nèi)部的精密基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，當(dāng)任一節(jié)電池處于過電壓或欠電壓狀態(tài)時，UCC3957就會采取適當(dāng)?shù)拇胧┓乐闺姵剡M(jìn)一步充電或放電。UCC3957外部接有2個獨立的P溝道MOSFET晶體管，分別控制電池的充電和放電電流。

下面以圖4為例，介紹其采用UCC3957的4節(jié)鋰電池充電保護(hù)電路特點。

1.電池組的連接

電池組與UCC3957連接要注意它的順序。電池組的低電位端連接到引腳7AN4，高電位端連接到引腳VDD，每兩節(jié)電池的連接點按相應(yīng)順序連接到引腳4AN1、5AN2、6AN3.

2.選擇3或4節(jié)電池充電工作狀態(tài)

當(dāng)電池組為3節(jié)電池時，引腳2CLCNT應(yīng)連到引腳16DVDD，同時將引腳6AN3與引腳7AN4連到一起，當(dāng)電池組為4節(jié)電池時，引腳2CLCNT接地（即連到引腳7AN4），AN3引腳接至電池組最下面一只電池的正極。

3.欠電壓保護(hù)

當(dāng)檢測到任一節(jié)電池處于過放電狀態(tài)時（低于欠電壓閥值電位），狀態(tài)檢測器同時關(guān)斷2只MOSFET晶體管，使UCC3957進(jìn)入休眠工作模式，此時UCC3957的耗電僅為3.5μA，只有當(dāng)引腳3WU的電壓升到1VDD后，UCC3957退出休眠工作模式。

4.電池充電

當(dāng)充電器接入充電電源器時，只要引腳9CHGEN的電壓被拉到16DVDD，充電FET晶體管VT1導(dǎo)通，電池組充電。但是如果引腳9CHGEN開路或連到引腳7AN4，則充電FET晶體管VT1關(guān)斷。充電期間，如果UCC3957處于休眠工作模式，則放電FET晶體管VT2仍然關(guān)斷，充電電流流過放電FET晶體管VT2的體二極管；直到每節(jié)電池的電壓高于欠電壓閥值電壓，則放電FET晶體管VT2導(dǎo)通。休眠工作期間，充電FET晶體管VT1處于周期性的導(dǎo)通和關(guān)斷方式，導(dǎo)通時間為7ms，關(guān)斷時間為10ms.

5.電池連接不正常保護(hù)

UCC3957具有被充電電池盒內(nèi)電池連接不正常的保護(hù)功能。如果和電池連接的引腳4AN1、5AN2或6AN3連接不正常、斷連接，UCC3957可以檢測到并可預(yù)防電池組過充壓。

6.過電壓保護(hù)與智能放電特性

如果某一電池充電電壓超過正常過充電閥值電位，則充電FET晶體管VT1關(guān)斷，以防止電池過充電。關(guān)斷一直保持到該電池電壓降低到過充電閥值電位。在大多數(shù)保護(hù)電路設(shè)計中，在該過電壓保護(hù)帶（在正常值∽過充電閥值之間，或反之，在過充電閥值∽正常值之間），充電FET晶體管VT1一直處于保護(hù)的完全關(guān)斷工作狀態(tài)，此時放電電流必須通過充電FET晶體管VT1的體二極管，該二極管的壓降高達(dá)1V，從而在充電FET晶體管VT1內(nèi)產(chǎn)生極大的功耗，消耗寶貴的電池功率。

UCC3957具有獨到的智能放電特性，它可使充電FET晶體管VT1對放電電流導(dǎo)通（僅對放電而言）而仍然處于過電壓回差范圍之內(nèi)。這樣就大大減少了充電FET晶體管VT1上的功耗。這一措施是通過采樣流經(jīng)電流檢測電阻RSENES上的電壓降來完成的，如果這個電壓降超過15mV（0.025Ω電流檢測電阻對應(yīng)0.6A的放電電流），則充電FET晶體管VT1再次導(dǎo)通。此例中，若20mW的FET晶體管，其體二極管電壓降為1V，對應(yīng)為1A負(fù)載，則VT1的功耗由1W降至0.02W.

7.過電流保護(hù)

UCC3957采用二級過電流保護(hù)模式保護(hù)電池組的過充電電流和電池組短路，當(dāng)電流檢測電阻RSENSE（接在引腳AN4與引腳BATLO之間）上的電壓降超過某一閥值電位時，過電流保護(hù)進(jìn)入打嗝兒保護(hù)工作模式。在這一工作模式時，放電FET晶體管VT2周期性地關(guān)斷與導(dǎo)通，直到故障排除。一旦故障排除，UCC3957自動恢復(fù)正常工作。

為了適應(yīng)大的容性負(fù)載，UCC3957有兩個過電流閥值電壓，對應(yīng)每一閥值電壓可以設(shè)定不同的延遲時間。這種二級過電流保護(hù)既可對短路提供快速的響應(yīng)，又可使電池組承受一定的浪涌電流。這樣可防止由于濾波電容較大而引起不必要的過電流誤保護(hù)動作。

第一級過電流保護(hù)閥值電位為150mV，對應(yīng)0.025Ω的電流檢測電阻，過電流閥值為6A.如果峰值放電電流持續(xù)時間超過該值所設(shè)定的時間（由接在CDLY1和地之間的電容設(shè)定），UCC3957進(jìn)入打嗝兒保護(hù)工作模式。打嗝兒保護(hù)工作模式時的占空比約為6%，即關(guān)斷時間大約是導(dǎo)通時間的17倍。

第二級過電流閥值電位為375mV，對應(yīng)0.025Ω電流檢測電阻，過電流閥值為15A.如果峰值放電電流超過該電位值所設(shè)定的時間（由接在CCDLY2和地之間的電容設(shè)定），UCC3957進(jìn)入打嗝兒保護(hù)工作模式，并且占空比一般小于1%.而關(guān)斷時間tOFF仍然由接在CCDLY1與地之間的電容決定。這一技術(shù)大大地降低了短路時FET晶體管VT2上的功耗，從而降低了對FET晶體管VT2的使用要求。

當(dāng)CDLY1=0.022μF時，則對應(yīng)第一級過電流的（當(dāng)電流大于6A而小于15A時）導(dǎo)通時間tON大約為大約10ms，關(guān)斷時間tOFF大約為160ms，占空比為5.9%；當(dāng)電流超過15A時如果不用CDLY2，則第二級過電流保護(hù)的占空比為0.1%；如果CDLY2取22PF時，則對應(yīng)的導(dǎo)通時間為800μs，占空比為0.5%.

2、UCC3957的典型應(yīng)用電路

采用UCC3957的4節(jié)電池組的典型保護(hù)電路如圖4所示。

圖4 4節(jié)鋰電池充電電路的典型保護(hù)電路

圖4中，VR1和R2用于當(dāng)充電器開路充電電壓過高時，保護(hù)充電FET晶體管VT1.在該應(yīng)用電路中，短路時放電FET晶體管VT2關(guān)斷，由于電池組輸出的分布電感，這時的

會產(chǎn)生一個電壓的負(fù)突變；這一負(fù)突變會超過放電FET晶體管VT2的耐壓值，這一負(fù)突變也會損壞UCC3597.圖4中的VD1對這一負(fù)突變箝位以保護(hù)放電FET晶體管VT2，C5應(yīng)直接置于電池組的頂端和底端。

由于當(dāng)放電過電流保護(hù)時，放電FET晶體管VT2產(chǎn)生的負(fù)電壓過充電與

的大小有關(guān)，而

與放電FET晶體管VT2的導(dǎo)通和關(guān)斷驅(qū)動脈沖的上升、下降時間有關(guān)。故圖4中用R3、C5、R4來控制的大小。