低功耗鋰電池保護電路的前提背景及意義

由于鋰電池能量密度高，在過度充電狀態下，電池溫度上升后能量將過剩，于是電解液分解而產生氣體，容易使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，降低可充電次數，縮短了電池使用壽命。因此對鋰電池的保護非常重要，鋰電池應用中必須要有電池保護芯片，來防止電池的過充電、過放電和過電流。

鋰電池

鋰電池保護電路的設計是十分重要的。但是鋰電池保護電路會增加電池能量的額外損耗，減少電池的應用時間，這就要求鋰電池保護電路要能在高精度下實現低功耗。一款鋰電池保護芯片除了要能完成過充電保護、過放電保護和過電流保護等基本功能外，還要滿足以下要求——這也是本文所設計芯片的目標。

(1)超低功耗。鋰電池保護電路在工作時，其消耗的功耗就是電池的損耗。因此，我們要把鋰電池保護電路的功耗降到最低。

(2)高精準檢測電壓。為了使鋰電池保護電路對于電池的不同工作狀態做出正確的響應，保護電路必須能精準的檢測出過充保護電壓、過放保護電壓等電壓參數。

(3)大電壓范圍下正確工作。由于鋰電池保護電路的供電電壓為電池電壓，而電池電壓可在較大范圍內浮動，故要求鋰電池保護電路在該電壓范圍內能正確地工作。

鋰電池保護電路方案

目前使用的各類電池中，鋰電池(也稱鋰離子二次電池或鋰離子蓄電池)是近十幾年才發展起來的一種新型電源。鋰電池有別于一般的化學電源，其充放電工作過程是通過鋰離子在電池正負極中的嵌入和脫嵌來實現的。鋰電池的負極是碳素材料，例如石墨；正極是含鋰的過渡金屬氧化物，例如鈷氧化鋰(LiC002)。并且鋰電池正負極材料均采用鋰離子可以自由嵌入和脫離出的具有層狀結構的鋰離子嵌入化合物，處于層間的鋰離子，在適當的電解液中，會發生電化學反應。充電時，在外部電場的驅動下鋰離子從正極晶格中脫出，經過電解質，嵌入到負極晶格中。放電時的過程正好相反，鋰離子返回正極，電子則通過外部電路到達正極與鋰離子復合。

與常用的鎳鎘、鎳氫電池相比較，鋰電池有許多優越特性，主要表現在以下幾個方面：

(1)鋰電池供電電壓高，一般為3．6V，約為鎳鎘電池、鎳氫電池電壓的3倍。對于供電電壓要求較高的電子設備，電池組所需串聯電池數也可大大減少。因此組合使用的鋰電池容易獲得更高的電壓。

(2)比能量高，即同重量的鋰電池提供的能量比其它電池高。鋰電池的比能量一般為鎳鎘電池、鎳氫電池的2～3倍。因此有利于便攜式電子設備小型輕量化。

(3)無記憶效應。鎳鎘電池、鎳氫電池都有記憶效應，必須進行定期放電，否則就會因記憶效應導致電池失效。而鋰電池無記憶效應，不必理會殘余電量的多少，可直接進行充電。這樣就使鋰電池效能得到充分發揮。

(4)使用壽命長。鋰電池采用碳負極，在充放電過程中碳負極不會生成金屬鋰，從而可以避免電池因內部金屬鋰短路而損壞。目前，鋰電池的循環壽命可達5000次以上，遠遠高于其它各類電池。

(5)工作環境溫度范圍寬，一般可在一30℃川0℃之間工作，具有優良的高低溫放電性能。

(6)自放電率低。自放電率又稱電荷保持率，是指電池放置不用時自動放電的多少。鋰電池的自放電率為2％～5％，鎳鎘電池在25％～30％之間，鎳氫電池在30％～35％之間。因此，同樣環境下鋰電池保持電荷的時間最長。

(7)鋰電池不含任何汞、鎘等有毒元素，是真正的綠色環保電池。

基于以上優點，鋰電池被廣泛應用在便攜式電子設備中。而另一方面，鋰電池因其能量密度高，使得難以確保電池的安全性。具體而言，在過充電狀態下，電解質會被分解，使得電池內部的溫度和壓力上升；在過放電狀態下，負極中的電解材料——銅會熔化而造成內部短路，使溫度升高：在外部電路短路或放電電第一章緒論3流過大時，由于高內阻的特性，電池內部功率消耗增加，溫度也會上升，可能引起電解液的氧化或分解，導致鋰電池壽命縮短。除此之外，假若鋰電池進行過度的放電，則會使電池內的電解液產生變化，可循環充電的次數會因此而減少，進而影響鋰電池的使用壽命。

由于鋰電池存在上述所分析的缺點，在鋰電池的應用中必須加上保護電路。保護電路的基本功能也要和上述缺點相對應，于是我們要求鋰電池電源保護芯片要能實現以下幾個最基本的功能：過充電保護、過放電保護、過電流保護以及短路保護。由以上鋰電池的應用要求可知，為提高鋰電池的使用壽命并保證電池的安全使用，鋰電池保護電路需要具有以下功能：

(1)如果充電電壓超過電池允許的最大值，能夠提供電池放電回路。

(2)如果放電電壓低于電池允許的最小值，能夠提供電池充電回路。則切斷電池與外部電路的連接，并且則切斷電池與外部電路的連接，并且

(3)如果電池的充、放電電流大于極限值，則切斷電池與外部電路的連接。

(4)當電池回復正常狀態后，保護電路應能相應的解除保護狀態，使電池能夠繼續正常工作。