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取代被动保护器件,锂电池的电路保护还安全吗?

发布时间:2014-09-02 责任编辑:stone

【导读】智能手机及平板电脑等消费电子的蓬勃发展催化了锂离子电池的巨大需求,加速了锂离子电池对其他化学电池的冲击。由于,人们对于消费电子超长待机时间的渴望,为获得更高的电池容量和能量密度,就相对地也降低了锂离子电池的安全应用门限。于是,就要求锂离子电池的电路保护必须更加可靠。

智能手机及平板电脑等消费电子的蓬勃发展催化了锂离子电池的巨大需求,也加速了锂离子电池对其他化学电池的冲击。即使以现有的应用市场计算,因产品的升级而导致的需求增长,也将使锂离子电池继续保持 25% 的增速。

而另一方面,人们对于消费电子超长待机时间的渴望,使得锂离子电池行业需要不断地提升充电电压或使用不成熟的电极材料,以获得更高的电池容量和能量密度,但这相对地也降低了锂离子电池的安全应用门限。这些都要求锂离子电池的电路保护必须更加可靠。

典型的锂离子电池保护电路如图 1,其核心包括了构成一级防护的 IC+MosFET 的主动保护方案以及二级防护的 PPTC。由于现在锂离子电池保护板空间逐渐减小,加之 IC 集成度提升和成本压力,通常人们认为主动保护已经足够及时和强大,部分设计者考虑取消二级防护或者采用双 IC 保护方案,但这样是否可行呢?


 典型的锂离子电池保护电路图 1:典型的锂离子电池保护电路

图 1:典型的锂离子电池保护电路
 
要回答这个问题,我们需要全面的对比主动和被动保护方案的优劣势,限于篇幅我们不在本文详述。我们仅仅从电子行业的一种常见危害形式-静电放电,来谈谈被动保护的重要性。

静电在日常生活中是十分容易产生的,人体摩擦感应的静电甚至可达到 15kV 以上。静电及其放电可通过力学效应、热效应、强电场效应等对元器件造成破坏或损伤,既可能是永久性的(如功能丧失,不能恢复),也可能是暂时性的(如静电放电产生的干扰使功能暂时丧失);既可能是突发失效,也可能是潜在失效,具有极强的隐蔽性、潜在性、随机性及复杂性。

作为锂离子电池一级保护的 IC 和 MosFET 是静电危害的重灾区,其中 80% 的损失都是潜在性的,会导致电路功能暂时性失效。图 2 是 ESD 对 IC 和 MosFET 的破坏和损伤,锂离子电池保护电路一旦遭受静电放电,极有可能使其保护功能出现失效或隐患。

ESD对IC和MosFET的破坏和损伤
 
图二:ESD对IC和MosFET的破坏和损伤

一旦 IC 和 MosFET 的功能丧失或可靠性降低,锂离子在充电和使用过程中极有可能由于过充电、短路及过放电等导致燃烧或爆炸。此时被动保护器件,如 PPTC、MHP-TA 等的作用就极其重要了。由此可见,取消被动保护器件或采用主动方案取代被动保护器件的设计都是不可取的,会大幅降低锂离子电池保护的可靠性。

全面的安全保护不仅不能取消 PPTC/MHP-TA 等过流过温保护器件,还需要在接口中增加 ESD 防护器件,以最大限度的提升锂离子电池保护方案的可靠性,TE 电路保护部的 PESD 和 SESD 静电防护器件就是很好的选择。

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