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便携式消费电子产品中的锂电池保护

作者:SirikhitManiraj时间:2014-09-05来源:电子产品世界

  随着设计时尚且外形较薄的便携式消费电子产品,比如智能手机、平板电脑和其它先进的手持式电子产品变得日益普及,锂离子(Li-ion) 和锂聚合物 (LiP) 电池 (统称为),已经成为这些应用“必须采用”的电源。随着用于消费产品的电池技术和外形尺寸突破了传统的圆柱形电池,因其高能量密度、小外形尺寸和设计灵活性而需求不断增长。这些电池需要更小的电路保护器件,在更薄且更紧凑的低侧高便携产品中提供强大的保护功能。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/262635.htm

  1 保护需求

  组对于外部短路、充电失控情况和滥用过充所引起的故障非常敏感,这些故障可能造成具有破坏性的过流和过热情况。此外,UL、IEC和IEEE等机构针对锂离子和锂聚合物电池组制定了强制执行的安全规范和既定测试要求,以证实它们能够抵御短路和过充事件。

  过充电、深度放电或短路情况可能产生热量而导致锂电池芯膨胀、破裂或可能起火。虽然电池芯内部的故障不太普遍,但提供电池过热或过充保护及欠压或过压保护的电池组保护电路发生故障便可能引起热失控,有可能产生灾难性故障。这些电子设备通常含有保护控制模块(Protection Control Module, ),保护模块可能包含电量计、充电控制或者一个IC和FET器件,因此多电池芯构成的电池组需要多级保护。

  不同化学特性的电池需要特定的充电曲线来优化性能并最大限度地减小潜在的危害。如果这一特性曲线没有满足,则可能发生过充情况。过流或过压情况或者两者的结合,都可能导致电池芯的过充。如果充电电流或电压超过规定值,电池温度便可能急剧升高。在典型的过充故障中,当过大电压加在完全充电的电池芯上,电池芯的温度便会上升,导致电池芯内部的化学性能衰退。

  2 PolySwitch 器件

  低温PolySwitch (正温度系数聚合物)器件特别适用于限制充电电流不超过电池组的正常工作温度。该器件的可复位功能可确保因为暴露于高存储温度而引起的误动作 (如在大热天将手机留在车中) 而不会使电池组永久失效,而且,由于电池组可能遇到的大多数故障情况相对少见,或者只是偶发事件,因此可复位保护通常是首选方法。

  锂电池组通常包括能够检测和实施过压保护、欠压保护、过热保护和过流保护的IC,IC和MOSFET用作主要的电池保护,连同电量计来跟踪电池容量、充电状态(百分比)、用完时间(分钟)、电池电压(mV)和温度。

  PolySwitch 器件与电池串连,如果控制电路发生故障便可提供二级保护。虽然半导体电路被认为是可靠的,但在有些情况下,包括过高的静电放电、短路状态下的高温或振荡,主要保护电路可能会发生故障。这时,PolySwitch PPTC器件能帮助提供充电和放电时的电池过热保护,以及多重过流保护。如果电路中加入了PolySwitch PPTC器件,随着电池温度上升,PPTC周围温度相应上升,较小的电流就会触发PPTC的保护功能。

  PolySwitch PPTC器件具有低电阻特性,有助于满足电池组的低电阻需求,在发生过充电的情况下,其低动作温度有助于防止电池的热失控。PolySwitch PPTC可复位器件具有各种外形尺寸和额定电流,以及从85℃ 至125℃的一系列热保护温度。

  PolySwitch 带状产品

  PolySwitch PPTC 带状产品包括SRP、LR4、VTP、VLR、VLP、MGP和MXP系列,这些器件能够安装在圆柱形电池组、方形电池,甚至软包装电池中,能够应用于特定化学性或使用规范的电池。PPTC “带状”器件被设计成具有标签一样的扁平外形,被便于使用点焊方式连接到电池芯或电池组的条带上(图1)。

  PolySwitch PPTC表面贴装器件

  PolySwitch PPTC表面贴装产品体积小,有助于节省电路板空间和降低成本,非常适合空间受限的电池保护板应用。例如,miniSMDxxxx和miniSMDxxxLR (低电阻)器件具有薄和小外形尺寸,可以使用回流焊工艺。尽管多数表面贴装PPTC器件都已经具备低电阻,但这些miniSMDxxxLR器件能提供更低的电阻,有助于维持系统的低电阻。

  PolySwitch PPTC 圆环器件

  PolySwitch PPTC环状器件是使用PTC材料制造的圆环,可以放入Li-ion 18650圆柱形状电池头部,在电池芯装配之前的运输和搬运期间保护电池芯。这些环状器件还可为AA和AAA尺寸的非充电电池提供保护,而这些电池可以单独销售予消费者使用。

  PolySwitch PPTC L型带状器件

  PolySwitch PPTC L型带状器件为锂电池应用提供一个可点焊及可回流焊方案,在室温下的工作电流高达4A,适用于高性能平板电脑。此外,它们还具有超低电阻,有助于维持系统低电阻。将保护电路放置在接近电池芯的地方,能够减少较长的金属连接片,有助于提升热感测性能。

  L-Tab器件可以通过回流焊焊接到电池上,该器件的L形状一端可以直接点焊到电池芯的电极上,从而节省成本。此外,当折叠以放入电池组时,其L形状有助于减少生产流程。

  3 具有热保护功能的金属混合PPTC器件 ()

   (热保护)系列MHP (金属混合PPTC)器件为较高能量锂聚合物电池组提供了创新性的节省空间解决方案,这些超薄、可复位热关断(TCO)器件包括一个与双金属片断路器并联的PPTC器件。它们在72 C°至90C°温度下进行热保护,同时采用小型SMD封装,提供高耐压和低保持电流。器件的优势包括极低的电阻、热关断能力并提供闭锁保护,以及复位能力。由于内置PPTC在故障期间保持了双金属触点打开,所以消除了传统双金属片的非闭锁特性。

  4 表面贴装

  表面贴装可以提供可能引起灾难性后果的不可恢复保护,TE电路保护部为这些器件提供了从0402到1206的表面安装封装尺寸范围,大多数安全标准限制了最大熔断器电流为5A。在发生故障时熔断,使电池组永久失效。当某个应用发生过流故障时希望电路永久关断, 此时需要的是保险丝而不是可恢复的PolySwitch PPTC。

  5 总结

  电池组的发展趋势是更高的空间效率,这就需要更小的保护器件。现在,电池应用设计人员。可以从一系列不同外形尺寸和特性的各种保护器件中进行选择,以满足他们的设计需求。

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