鉅大LARGE | 點擊量：1134次 | 2020年03月18日
鋰離子電池充電保護集成電路UCC3957分析
一、鋰離子電池特點
鋰離子電池與其他電池相比，重要有以下優點。
1．電壓高
所標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，是鋰離子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，僅要1~2小時（h）的時間就可充電，達到最佳狀態；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，相同能發揮電力、照常工作；鋰離子電池的自放電率低<8%/月，遠低于鎳鎘電池的30%和鎳氫電池的40%。
4．鋰離子電池沒有"記憶效應"，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。但是假如鋰離子電池已充足電還要繼續充電（過充電），則會損壞電池,鋰離子電池是目前應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生變化，其變化規律如圖1所示。
鋰離子電池充電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，當電池電壓達到4.2V左右時，電池電壓基本不變，充電電流繼續下降，判斷鋰離子電池充電是否結束的方法是利用檢測它的充電電流，當它的充電電流下降至某一定值時結束充電。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）時結束充電，也可以在檢測到鋰離子電池達到4.2V時啟動按時器，在一定的時延后結束充電。這時充電電路應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。要指出的是；鋰離子電池不要涓流充電。
三、UCC3957的重要特點
UCC3957是采用BiCMOS工藝的3/4節鋰離子電池組充電器保護用控制集成電路。它與外部的p溝道MOSFET晶體管一起對電池組充電實現兩級過電流保護，假如達到第一級過電流閥值電位時，保護電路以按用戶設定的保護時間，將外接電容放電，假如第一級保護時間到，電池過充、放電故障仍未排除，外接保護按時電容放電MOSFET以17倍于第一級保護時間關斷，執行第二級保護，這對容性負載是很有用的。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，充電過電流保護延時時間可通過調節外接元件參數的辦法實現。使用外部p溝道MOSFET晶體管的優點是，可以保護任一節電池過放電和過充電，并保護電池組及UCC3957集成電路本身。
3.1UCC3957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。
由圖2可見，利用UCC3957內部的工作狀態選擇器可以選擇UCC3957的工作狀態，當工作于持續工作狀態時可以保護每一節鋰離子電池，使其免于過充電和過放電。而過電流控制器則用于保護電池組不致出現過大的放電電流，而損壞電池組。
為配合不同廠家生產的鋰離子電池，UCC3957系列集成電路有表1所示的4種不同的過電壓保護門限值。
表1UCC3957-X的過電壓保護門限值（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：該引腳為設定UCC3957工作在三節或四節電池充電工作狀態的引腳。
引腳3WU：該引腳為當UCC3957處于休眠工作狀態時，在此腳加信號可喚醒UCC3957進入正常工作狀態，此引腳應接到N溝道電平轉移MOSFET晶體管的漏極。
引腳4AN1：該引腳為與最高電位的第1節電池的負極及第2節電池正極相連的引腳。
引腳5AN2：該引腳為最高電位的第2節電池的負極及第3節電池正極相連的引腳。
引腳6AN3：該引腳為最低電位的第3節電池的負極及第4節電池正極相連的引腳，當只有3節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：該引腳為短路保護的延遲時間控制引腳，在該引腳與AN4引腳間連接電容的數值決定過電流的時間，當過電流時控制放電MOSFET晶體管的關斷時間，電容的數值也決定打嗝兒過電流保護的時間。
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動外接p溝道MOSFET管，假如有任一節電池電壓高于過電壓保護閥值電位，則該引腳相對AN4引腳被置低電位；只有當所有被充電的單節電池電壓低于該閥值電位，則該引腳置高電位。
引腳13DCHG：該引腳為用于預防電池過放電的引腳。假如UCC3957內部的工作狀態檢測器判斷到任一節電池處于欠電壓狀態，則引腳DCHG被置高電位以使外部放電p溝道MOSFET晶體管關斷，但當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的保護設按時間。
引腳15AVDD：該引腳與為內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：該引腳與為內部數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用電路
4.1UCC3957的工作原理
UCC3957可以對3節或4節鋰離子電池組供應防止電池過充電、過放電及過電流充、放電等故障的全面保護功能，它對電池組內的每一節電池電壓采樣并與內部的精密基準電壓進行比較，當任一節電池處于過電壓或欠電壓狀態時，UCC3957就會采取適當的措施防止電池進一步充電或放電。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節鋰離子電池充電保護電路特點。
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，每兩節電池的連接點按相應順序連接到引腳4AN1、5AN2、6AN3。
2．選擇3或4節電池充電工作狀態
當電池組為3節電池時，引腳2CLCNT應連到引腳16DVDD，同時將引腳6AN3與引腳7AN4連到一起，當電池組為4節電池時，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
當檢測到任一節電池處于過放電狀態時（低于欠電壓閥值電位），狀態檢測器同時關斷2只MOSFET晶體管，使UCC3957進入休眠工作模式，此時UCC3957的耗電僅為3.5μA，只有當引腳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導通，電池組充電。但是假如引腳9CHGEN開路或連到引腳7AN4，則充電FET晶體管VT1關斷。充電期間，假如UCC3957處于休眠工作模式，則放電FET晶體管VT2仍然關斷，充電電流流過放電FET晶體管VT2的體二極管；直到每節電池的電壓高于欠電壓閥值電壓，則放電FET晶體管VT2導通。休眠工作期間，充電FET晶體管VT1處于周期性的導通和關斷方式，導通時間為7ms，關斷時間為10ms。
5．電池連接不正常保護
UCC3957具有被充電電池盒內電池連接不正常的保護功能。假如和電池連接的引腳4AN1、5AN2或6AN3連接不正常、斷連接，UCC3957可以檢測到并可預防電池組過充壓。
6．過電壓保護與智能放電特性
假如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關斷，以防止電池過充電。關斷一直保持到該電池電壓降低到過充電閥值電位。在大多數保護電路設計中，在該過電壓保護帶（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VT1一直處于保護的完全關斷工作狀態，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1V，從而在充電FET晶體管VT1內出現極大的功耗，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對放電電流導通（僅對放電而言）而仍然處于過電壓回差范圍之內。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電流檢測電阻RSENES上的電壓降來完成的，假如這個電壓降超過15mV(0.025Ω電流檢測電阻對應0.6A的放電電流)，則充電FET晶體管VT1再次導通。此例中，若20mW的FET晶體管，其體二極管電壓降為1V，對應為1A負載，則VT1的功耗由1W降至0.02W。
7．過電流保護
UCC3957采用二級過電流保護模式保護電池組的過充電電流和電池組短路，當電流檢測電阻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，過電流保護進入打嗝兒保護工作模式。在這一工作模式時，放電FET晶體管VT2周期性地關斷與導通，直到故障排除。一旦故障排除，UCC3957自動恢復正常工作。
為了適應大的容性負載，UCC3957有兩個過電流閥值電壓，對應每一閥值電壓可以設定不同的延遲時間。這種二級過電流保護既可對短路供應快速的響應，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動作。
第一級過電流保護閥值電位為150mV，對應0.025Ω的電流檢測電阻，過電流閥值為6A。假如峰值放電電流持續時間超過該值所設定的時間（由接在CDLY1和地之間的電容設定），UCC3957進入打嗝兒保護工作模式。打嗝兒保護工作模式時的占空比約為6%，即關斷時間大約是導通時間的17倍。
第二級過電流閥值電位為375mV，對應0.025Ω電流檢測電阻，過電流閥值為15A。假如峰值放電電流超過該電位值所設定的時間（由接在CCDLY2和地之間的電容設定），UCC3957進入打嗝兒保護工作模式，并且占空比一般小于1%。而關斷時間tOFF仍然由接在CCDLY1與地之間的電容決定。這一技術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CDLY1=0.022μF時，則對應第一級過電流的（當電流大于6A而小于15A時）導通時間tON大約為大約10ms，關斷時間tOFF大約為160ms，占空比為5.9%；當電流超過15A時假如不用CDLY2，則第二級過電流保護的占空比為0.1%；假如CDLY2取22pF時，則對應的導通時間為800μs，占空比為0.5%。
4.2UCC3957的典型應用電路
采用UCC3957的4節電池組的典型保護電路如圖4所示。
圖4中，VR1和R2用于當充電器開路充電電壓過高時，保護充電FET晶體管VT1。在該應用電路中，短路時放電FET晶體管VT2關斷，由于電池組輸出的分布電感，這時的會出現一個電壓的負突變；這一負突變會超過放電FET晶體管VT2的耐壓值，這一負突變也會損壞UCC3597。圖4中的VD1對這一負突變箝位以保護放電FET晶體管VT2，C5應直接置于電池組的頂端和底端。
由于當放電過電流保護時，放電FET晶體管VT2出現的負電壓過充電與的大小有關，而與放電FET晶體管VT2的導通和關斷驅動脈沖的上升、下降時間有關。故圖4中用R3、C5、R4來控制的大小。
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