鋰離子電池保護電路UCC3957??

摘要：介紹了鋰離子電池保護電路UCC3957的特點及工作原理，并給出了3節或4節鋰離子電池組的應用電路。

關鍵詞：鋰離子電池；保護電路；過壓；欠壓；過充電；過放電；過流

Lithium? Ion Battery Protector Circuit UCC3957?

YU Ming-hao?

Abstract:The features and functions of lithium-ion battery protector circuit UCC3957 are introduced.The application circuits of the lithium-ion battery stack consisted of three or four cells are presented.?

Keywords:Lithium? ion battery; Protector circuit; Overvoltage; Under voltage; Overcharge; Overdischarge; Overcurrent

1? 引言

??? UCC3957是采用BiCMOS工藝的3、4節鋰離子電池組保護用IC。它與外部的P溝道MOSFET一起對電池組實施保護。使用外部P溝道MOSFET的優點是，在電池組處于過放電狀態時，沒有接地損耗；而在過充電狀態時，可以保護電池組及UCC3957本身。

??? UCC3957的原理框圖如圖1所示。

圖1? UCC3957的原理框圖

??? 由圖1可見，UCC3957內部的狀態選擇器可不間斷地工作，當持續工作時就可保護每一節鋰離子電池免于過充電和過放電。而另一個過流控制器則保護電池組不會產生過多的放電電流。

??? 為配合不同廠家的鋰電池，UCC3957有4種不同的過壓保護門限，如表1所示。

表1? UCC3957-X的過壓保護值（V）

2? 引腳功能

??? UCC3957的引腳如圖2所示。各引腳功能如下：

圖2? 引腳圖

??? 腳1??? VDD??? 芯片電源端，輸入電壓范圍6.5～20V，與電池組的頂端連接；

??? 腳2??? CLCNT??? 用來設定芯片工作在三節或四節電池狀態下；

??? 腳3??? WU??? 當芯片處于休眠狀態時，在此腳施加信號可喚醒芯片進入正常工作狀態，此腳應接到N溝道電平移動MOSFET的漏極；

??? 腳4??? AN1??? 與第1節電池的負極及第2節正極相連；

??? 腳5??? AN2??? 與第2節電池的負極及第3節正極相連；

??? 腳6??? AN3??? 與第3節電池的負極及第4節正極相連，當只有3電池時與電池組的底端及AN4相連；????

??? 腳7和11??? AN4??? 當有4節電池時與電池組的底端相連，同時和電流傳感電阻的頂端連接；

??? 腳8??? BATLO??? 與電池組的負端連接，同時和電流傳感電阻的底端相連接；

??? 腳9??? CHGEN??? 充電使能端，接高電平時電池組充電；

??? 腳10??? CDLY1??? 短路保護的延遲控制，在該腳與AN4腳間接電容，當過流時控制放電MOSFET的關斷時間；

??? 腳12??? CHG??? 控制外部的N溝道MOSFET管，而該管則用來驅動P溝道MOSFET管，如果有任一節電池電壓高于過壓閾值，則該腳被置低；只有所有單節電池電壓低于該閾值，則該腳置高；

??? 腳13??? DCHG??? 用于預防過放電。如芯片內部的狀態檢測器判斷任一電池處于過放電狀態，則DCHG被置高以使外部放電P溝道MOSFET關斷，但當所有電池的電壓高于最低門限時，DCHG被置低；

??? 腳14??? CDLY2??? 該腳與AN4接一電容，以延長第二級過流保護的設定時間；

??? 腳15??? AVDD??? 內部模擬電路電源，通過0.1μF電容與AN4相連，正常電壓為7.3V；

??? 腳16??? DVDD??? 內部數字電路電源，通過0.1μF電容與AN4相連，正常電壓為7.3V。

3? 工作原理

??? UCC3957可對3或4節鋰電池組提供防止電池過充電，過放電及過流等的全面保護，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壓或欠壓狀態時，它就會采取適當的措施防止進一步充電或放電。其外部有2個獨立的P溝道MOSFET，分別控制充電和放電電流。圖3為3節鋰電池的保護電路。

??? 下面以圖3為例，講述UCC3957的應用特點。

圖3? 3節鋰電池保護電路

??? 1）電池組的連接

??? 電池組與IC連接要注意它的順序。電池組的底端連接到AN4，頂端連接到VDD，每兩節電池的連接點按相應順序連接到AN1、AN2、AN3。

??? 2）選擇3或4節電池

??? 當電池組為3節電池時，CLCNT應連到DVDD，同時將AN3與AN4連到一起，當電池組為4節電池時，CLCNT接地（即連到AN4）

??? 3）欠壓保護

??? 當檢測到任一節電池處于過放電時（低于欠壓閾值），狀態檢測器同時關斷2只P溝道MOSFET，UCC3957進入休眠狀態，此時芯片的耗電僅為3.5μA，只有當WU電壓升到VDD時，芯片檢測到后重充電從而退出休眠狀態。

??? 4）充電

??? 當接入充電器時，CHGEN電壓被拉到DVDD，充電FET導通，電池組充電。而如果CHGEN開路或連到N4，則充電FET仍然關斷。

??? 充電期間，如果芯片處于休眠狀態，則放電FET仍然關斷，充電電流流過放電FET的體二極管；直到每節電池的電壓高于欠壓閾值，則放電FET導通。休眠期間，充電FET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）斷線保護

??? UCC3957具有內部電池保護。如果內部AN1，AN2或AN3斷線，芯片可檢測到并可預防電池組過壓。

??? 6）過壓保護與智能放電特性

??? 如果某一電池充電電壓超過正常過充電閾值，則充電FET關斷，以防止過充。關斷一直保持到該電池電壓降低到過充電閾值。在大多數保護設計中，在該過壓保護帶（正常值—過充電閾值，或反之，過充電閾值—正常值）之間，充電FET一直保持完全的關斷，此時放電電流必須通過充電FET的體二極管，該二極管的壓降高達1V，從而在充電FET內產生極大的功耗，消耗寶貴的電池功率。

??? UCC3957具有智能放電特性，它可使充電FET對放電電流導通而仍然處于過壓回差之內。這樣就大大減少了充電FET上的功耗。這一措施是通過采樣流經傳感電阻上的電流的壓降來完成的。如果壓降超過15mV(0.025Ω傳感電阻對應0.6A的放電電流)，則充電FET再次導通。此例中，若20mW的FET，其體二極管壓降為1V，對應為1A負載，則其功耗由1W降至0.02W。

??? 7）過流保護

??? UCC3957采用二級過流保護模式保護電池組的過流和短路，當電流傳感電阻(接在AN4與BATLO間)上的壓降超過某一閾值時，過流保護進入間歇模式。在這一模式時，放電FET周期性地關斷與導通，直到故障排除。一旦故障排除，芯片自動恢復常規工作。為了適應大的電容負載，芯片有兩個過流閾值電壓，對應每一閾值電壓可以設定不同的延遲時間。這種二級過流保護既可對短路提供快速的響應，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流保護動作。

??? 第一級過流保護閾值為150mV，對應0.025Ω的傳感電阻，電流為6A。如果峰值放電電流超過該值所設定的時間(由接在CDLY1和地之間的電容設定),芯片進入間歇工作模式。間歇模式時的占空比約為6％，即關斷時間大約是導通時間的16倍。導通時間對電容值的關系曲線如圖4所示。

??? 第二級過流閾值為375mV，對應0.025Ω的傳感電阻，電流為15A。如果峰值放電電流超過該值所設定的時間(由接在CDLY2和地之間的電容設定)，芯片也進入間歇工作模式，且占空比相當低，一般小于1％。其關系曲線如圖5所示；而關斷時間仍然由接在CDLY1與地之間上的電容決定。如圖4所示。這一技術大大地降低了短路時FET上的功耗，從而降低了對FET的使用要求。

圖4? 第一級過流延時時間tD與電容CCDLY1的關系曲線

圖5 第二級過流延時時間tD與電容CCDLY2的關系曲線

??? 在圖3中，CDLY1=0.022μF時，則第一級過流（當電流大于6A而小于15A時）導通時間為10ms，關斷時間為160ms，占空比為5.9％；當電流超過15A時如果不用CDLY2，則第二級過流保護的占空比為0.1％；如果CDLY2為22pF時，則導通時間為800μs，占空比為0.5％。

4? 應用電路

??? 一個應用UCC3957的4節電池組保護電路如圖6所示。

圖6? 4節鋰電池保護電路

??? 圖6中，VR1和R2用于充電器開路充電電壓過高時，保護充電FET（Q1）。在該應用電路中，短路時放電FET（Q2）關斷，由于電池組輸出的分布電感，這時的di/dt會產生一個電壓的負突變；這一負突變會超過放電FET的耐壓值。圖中的D1對這一負突變箝位以保護放電FET，這一負突變也會損壞UCC3597，所以C5應直接置于電池組的頂端和底端。

??? 由于放電過流保護時，放電FET產生的負壓過充與di/dt的大小有關，而di/dt與放電FET的導通和關斷驅動脈沖的上升、下降時間有關。故圖6中用R3、C6、R4來控制di/dt。