一,、title="鋰離子電池">鋰離子電池特點(diǎn)

鋰離子電池與其他電池相比,，主要有以下優(yōu)點(diǎn),。

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(chǔ)存能量密度大，是鋰電池的核心價(jià)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(shí)（h）的時(shí)間就可充電，達(dá)到最佳狀態(tài),；同時(shí),，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(shí),，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(huì)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(huì)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(huì)隨充電時(shí)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(diǎn)充電，并且可以非常有效的保持它的電荷,，保持時(shí)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(shí),，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(shí),，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(shí)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(shí)結(jié)束充電,，也可以在檢測到鋰離子電池達(dá)到4.2V時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器,，在一定的時(shí)延后結(jié)束充電,。這時(shí)充電電路應(yīng)有一個(gè)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,。

三、UCC3957的主要特點(diǎn)

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(duì)電池組充電實(shí)現(xiàn)兩級(jí)過電流保護(hù),，如果達(dá)到第一級(jí)過電流閥值電位時(shí)，保護(hù)電路以按用戶設(shè)定的保護(hù)時(shí)間,，將外接電容放電,，如果第一級(jí)保護(hù)時(shí)間到，電池過充,、放電故障仍未排除,，外接保護(hù)定時(shí)電容放電MOSFET以17倍于第一級(jí)保護(hù)時(shí)間關(guān)斷，實(shí)施第二級(jí)保護(hù),，這對(duì)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(shí)時(shí)間可通過調(diào)節(jié)外接元件參數(shù)的辦法實(shí)現(xiàn)。使用外部P溝道MOSFET晶體管的優(yōu)點(diǎn)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。

3.1 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(shí)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。

圖3 UCC3957的引腳圖

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(shí),，在此腳加信號(hào)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(shí)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(shí)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(shí)電池組開始充電,。

引腳10CDLY1：該引腳為短路保護(hù)的延遲時(shí)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(shí)間,，當(dāng)過電流時(shí)控制放電MOSFET晶體管的關(guān)斷時(shí)間,，電容的數(shù)值也決定打嗝兒過電流保護(hù)的時(shí)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(dòng)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(duì)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(shí),，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(jí)過電流保護(hù)的保護(hù)設(shè)定時(shí)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。

四,、UCC3957的工作原理與典型應(yīng)用電路

4.1 UCC3957的工作原理

UCC3957可以對(duì)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(duì)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(shí)，UCC3957就會(huì)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(gè)獨(dú)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(diǎn),。

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(diǎn)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(shí),，引腳2CLCNT應(yīng)連到引腳16DVDD,，同時(shí)將引腳6AN3與引腳7AN4連到一起，當(dāng)電池組為4節(jié)電池時(shí),，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(shí)（低于欠電壓閥值電位）,，狀態(tài)檢測器同時(shí)關(guān)斷2只MOSFET晶體管,，使UCC3957進(jìn)入休眠工作模式，此時(shí)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(shí),，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(shí)間為7ms,，關(guān)斷時(shí)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(jì)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(shí)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(dú)到的智能放電特性,，它可使充電FET晶體管VT1對(duì)放電電流導(dǎo)通（僅對(duì)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(gè)電壓降超過15mV(0.025Ω電流檢測電阻對(duì)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(duì)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(jí)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(shí)，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(shí),，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(dòng)恢復(fù)正常工作。

為了適應(yīng)大的容性負(fù)載,，UCC3957有兩個(gè)過電流閥值電壓,，對(duì)應(yīng)每一閥值電壓可以設(shè)定不同的延遲時(shí)間。這種二級(jí)過電流保護(hù)既可對(duì)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(dòng)作。

第一級(jí)過電流保護(hù)閥值電位為150mV,，對(duì)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(shí)間超過該值所設(shè)定的時(shí)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(shí)的占空比約為6%，即關(guān)斷時(shí)間大約是導(dǎo)通時(shí)間的17倍,。

第二級(jí)過電流閥值電位為375mV,，對(duì)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(shí)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(shí)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(shí)FET晶體管VT2上的功耗,，從而降低了對(duì)FET晶體管VT2的使用要求,。

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

4.2 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(shí),，保護(hù)充電FET晶體管VT1,。在該應(yīng)用電路中，短路時(shí)放電FET晶體管VT2關(guān)斷,，由于電池組輸出的分布電感,，這時(shí)的 會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓的負(fù)突變；這一負(fù)突變會(huì)超過放電FET晶體管VT2的耐壓值,，這一負(fù)突變也會(huì)損壞UCC3597,。圖4中的VD1對(duì)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(shí),，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(dòng)脈沖的上升,、下降時(shí)間有關(guān),。故圖4中用R3、C5,、R4來控制 的大小,。