高集成度單芯片鋰電池保護(hù)解決方案

目前鋰電池的應(yīng)用越來越廣泛，從手機(jī)、MP3、MP4、GPS、玩具等便攜式設(shè)備到需要持續(xù)保存數(shù)據(jù)的煤氣表，其市場(chǎng)容量已經(jīng)達(dá)到每月幾億只。為了防止鋰電池在過充電、過放電、過電流等異常狀態(tài)影響電池壽命，通常要通過鋰電池保護(hù)裝置來防止異常狀態(tài)對(duì)電池的損壞。

鋰電池保護(hù)裝置的電路原理如圖1所示，主要是由電池保護(hù)控制IC和外接放電開關(guān)M1以及充電開關(guān)M2來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)P+/P-端連接充電器，給電池正常充電時(shí)，M1，M2均處于導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)控制IC檢測(cè)到充電異常時(shí)，將M2關(guān)斷終止充電。當(dāng)P+/P-端連接負(fù)載，電池正常放電時(shí)，M1，M2均導(dǎo)通；當(dāng)控制IC檢測(cè)到放電異常時(shí)，將M1關(guān)斷終止放電。

圖1：鋰電池保護(hù)裝置電路原理。

幾種現(xiàn)有的鋰電池保護(hù)方案

圖2是基于上述鋰電池保護(hù)原理所設(shè)計(jì)的一種常用的鋰電池保護(hù)板。圖中的SOT23-6L封裝的是控制IC，SOP8封裝的是雙開關(guān)管M1，M2。由于制造控制IC的工藝與制造開關(guān)管的工藝各不相同，因此圖2中兩個(gè)芯片是從不同的工藝流程中制造出來的，通常這兩種芯片也是由不同的芯片廠商提供。

圖2： 傳統(tǒng)的電池保護(hù)方案。

近幾年來，業(yè)界出現(xiàn)了將幾個(gè)芯片封裝在一起以提高集成度、縮小最后方案面積的趨勢(shì)。鋰電池保護(hù)市場(chǎng)也不例外。圖3中的兩種鋰電池保護(hù)方案A及B看起來是將圖2中的兩個(gè)芯片集成于一個(gè)芯片中，但實(shí)際上其封裝內(nèi)部控制器IC及開關(guān)管芯片仍是分開的，來自不同的廠商，該方案僅僅是將二者合封在一起，俗稱“二芯合一”。

圖3： “二芯合一”的鋰電池保護(hù)方案。

由于內(nèi)部?jī)蓚€(gè)芯片實(shí)際仍來自于不同廠商，外形不能很好匹配，因此導(dǎo)致最終封裝形狀各異，很多情況下不能采用通用封裝。這種封裝體積比較大，又不能節(jié)省外圍元件，所以這種“二芯合一”的方案實(shí)際上并省不了太多空間。在成本方面，雖然兩個(gè)封裝的成本縮減成一個(gè)封裝的成本，但由于這個(gè)封裝通常比較大，有的不是通用封裝，有的為了縮小封裝尺寸，需要用芯片疊加的封裝形式，因此與傳統(tǒng)的兩個(gè)芯片的方案相比，其成本優(yōu)勢(shì)并不明顯。

圖4是一種真正的將控制器芯片及開關(guān)管芯片集成在同一晶圓的單芯片方案。傳統(tǒng)方案原理圖1中的開關(guān)管是N型管，接在圖1中的B-與P-之間，俗稱負(fù)極保護(hù)。 圖4中的方案由于技術(shù)原因，開關(guān)管只能改為P型管，接在B+與P+之間，俗稱正極保護(hù)。用此芯片完成保護(hù)板方案后，在檢測(cè)保護(hù)板時(shí)用戶需要更換測(cè)試設(shè)備及理念。此方案雖然減少了一定的封裝成本，但芯片成本并沒有得到減少，在與量大成熟的傳統(tǒng)方案競(jìng)爭(zhēng)時(shí)也沒有真正的成本優(yōu)勢(shì)。相反其與傳統(tǒng)方案不相容的正極保護(hù)理念成了其推廣過程的巨大障礙。

圖4：正極保護(hù)的鋰電池保護(hù)方案。

上面的“二芯合一”方案及單芯片正極保護(hù)方案雖然在方案面積及成本上給用戶帶來了一定的優(yōu)勢(shì)，但優(yōu)勢(shì)仍不明顯。這些方案同時(shí)又帶來了一些弊端，因此在與成熟的傳統(tǒng)方案競(jìng)爭(zhēng)客戶的過程中，最終還是只能以降低毛利空間來打價(jià)格戰(zhàn)。由于這些方案的真正原始成本并沒有明顯的優(yōu)勢(shì)，所以隨著傳統(tǒng)方案的控制IC及開關(guān)管芯片的降價(jià)，這些“二芯合一”的方案或正極保護(hù)方案并沒有能夠撼動(dòng)傳統(tǒng)方案的市場(chǎng)統(tǒng)治地位。

近年來市面上出現(xiàn)了眾多新創(chuàng)的開關(guān)管芯片廠商，為了降低成本，封裝時(shí)原本打金線改成打銅線，開關(guān)管也不帶ESD保護(hù)。這些產(chǎn)品雖然在性能上與品牌開關(guān)管相比有一定的差異，但因?yàn)槌杀緝?yōu)勢(shì)很快搶占了二級(jí)市場(chǎng)，也為傳統(tǒng)方案在與“二芯合一”及正極保護(hù)方案在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中的勝出作出了巨大貢獻(xiàn)。

全集成鋰電池保護(hù)方案

賽芯微電子通過自主研發(fā)的多項(xiàng)器件及電路專利結(jié)合獨(dú)特的工藝技術(shù)，將控制IC與開關(guān)管集成于同一芯片，推出世界最小的鋰電池保護(hù)方案XB430X系列產(chǎn)品。該系列產(chǎn)品采用傳統(tǒng)的N型開關(guān)管，與傳統(tǒng)方案的負(fù)極保護(hù)原理一致，保護(hù)板廠商或電池廠商無需更換任何測(cè)試設(shè)備或理念。該系列芯片本身就是一個(gè)完整的鋰電池保護(hù)方案，無需外接任何元器件即可實(shí)現(xiàn)鋰電池保護(hù)的功能。為了防止Vcc線上的噪聲，建議在使用XB430X系列芯片時(shí)在VCC和電池負(fù)端之間外接一個(gè)電容，如圖5所示。

圖5：XB430X系列鋰電池保護(hù)方案。

XB430X系列芯片集成度非常高，不僅將傳統(tǒng)的控制IC和開關(guān)管集成，而且將原理圖1中R1、R2也集成到同一芯片。 集成后的芯片非常小，最小的可以采用市面上通用的SOT23-5L封裝。該芯片系列開關(guān)管內(nèi)阻極低，最小內(nèi)阻可達(dá)40m?以下，與市面上最好的開關(guān)管內(nèi)阻相當(dāng)。當(dāng)采用最小封裝SOT23-5L時(shí)，持續(xù)充電和放電電流可達(dá)2.5安培，而不會(huì)有散熱問題。若持續(xù)充放電電流大于2.5安培，建議使用XB430X系列中的SOP8封裝產(chǎn)品。

XB430X具有傳統(tǒng)保護(hù)方案中的所有保護(hù)功能：過充保護(hù)、過放保護(hù)、過流保護(hù)和短路保護(hù)。不僅如此，由于控制IC與開關(guān)管集成于同一芯片，控制IC可隨時(shí)檢測(cè)開關(guān)管芯片溫度。當(dāng)電池因長(zhǎng)期在高溫環(huán)境下使用，或充放電時(shí)電流超過正常充放電電流，卻又沒有達(dá)到過流保護(hù)閾值等原因而致使芯片溫度過高時(shí)，會(huì)啟動(dòng)過溫保護(hù)功能，以保護(hù)芯片及電池。另外，內(nèi)置開關(guān)管帶有ESD保護(hù)功能，可大幅提高保護(hù)板和電池在加工過程中的良率。

XB430X內(nèi)部控制IC及開關(guān)管來自于同一個(gè)生產(chǎn)工藝，同一個(gè)廠商，封裝選用最成熟通用的封裝形式，因而一致性能比傳統(tǒng)方案、“二芯合一”方案、正極保護(hù)方案都要高很多。

采用XB4301系列芯片，完成最終電池保護(hù)方案只需兩個(gè)元器件(如圖5所示)，與傳統(tǒng)方案的5個(gè)元器件相比，每臺(tái)貼片機(jī)的產(chǎn)能和效率可以提高到原來的2.5倍。與傳統(tǒng)的方案相比，保護(hù)板廠商不僅不要購(gòu)買電阻及開關(guān)管芯片，精簡(jiǎn)了資源鏈，而且在制作保護(hù)板時(shí)減少兩個(gè)電阻的焊盤以及開關(guān)管的8個(gè)焊點(diǎn)，從而大大降低了保護(hù)板的制作成本。