DIODES 達爾科技電池保護管理之單芯片解決方案

從手機到可穿戴技術,越來越多的便攜式設備進入市場。儘管設計不同,但它們都有共同的特點,最顯著的是它們通常由可充電電池供電,而充電電池通常是單節電池。集成設備的不斷發展意味著它們的體積越來越小,功耗也越來越低,這意味著它們能夠用更小的電池供電更長時間。然而,這給設備製造商帶來了壓力,以確保他們的設計不會犧牲良好的設計實踐來支持更小的外形尺寸。

便攜式設備遭受電池故障的情況仍然很少見,但並非未知,這可能導致災難性和潛在危險的故障。這些故障的原因可能無法完全披露,但很明顯,故障背後的熱源總是由於電池提供能量的能力。

智能手機就是一個完美的例子。在短短幾年內,它們已經從方便的移動通信設備發展成為現代生活不可或缺的一部分。智能手機中的技術現在可以與通常在功能強大的台式計算機中找到的技術相媲美,處理能力、顯示分辨率和用戶界面都處於可以實現的最前沿。雖然單個組件的功率需求可能會下降,但在系統級別,總功率需求只會增加。


這給電池製造商帶來了額外的創新投資壓力。這反映在新的和靈活的外形因素等發展中,或者可以提供更高功率密度或更長周期的新化合物的引入。現在通常指定電池以符合特定的形狀和體積,有些甚至是使用 3D 打印技術創建的。

從根本上說,實現可充電電池的化學過程保持不變。這意味著必須擴展到電池管理的特殊考慮也佔上風。如災難性故障所示,這裡的一個主要考慮因素是電池在使用期間和充電時的熱管理。故障可能是由機械或電氣條件引起的,所有這些都是可以避免的。

這包括通過機械方式或使用熱熔斷器或電熔斷器或二極管來保護端子免於短路。這有助於應對暫時性情況,但也強烈建議採取在常規使用期間有效的保護措施。從本質上講,這意味著在充電和放電期間,因為在這些條件下對電池的管理不善可能是導致故障的主要原因。

也許是因為它們與鎳鎘或鎳金屬氫化物相比相對簡單,鋰基可充電電池可能是當今便攜式產品中最常見的可充電電源形式。從完全耗盡充電需要在相對較低的電壓下的恆定電流,當它們接近完全充電時以較低的電流轉移到恆定電壓。

儘管這些充電​​要求很容易滿足,但應該記住,鋰電池本質上是不穩定的,因此也必須遵守製造商對充電/放電參數施加的容差。例如,電池的 C-rate 表示電池在理想條件下達到完全充電狀態所需的容量和時間;這直接影響變化電流。



Diodes達爾科技一系列電池保護裝置為原始設備製造商提供了一種簡單且經濟實惠的方式來提高產品安全性和完整性,在單芯片解決方案中添加保護。Diodes 在該應用領域擁有豐富的經驗,並開發了許多特定於應用的、完全集成的解決方案,為管理基於鋰的可充電電池提供正確的功能。 AP9214L 是一種單芯片、單電池解決方案,可在小外形封裝中提供鋰電池所需的所有保護。

AP9214L 將智能電池保護功能與具有公共漏極的雙 N 溝道超低 RSS(on) MOSFET 結合在一起(有關 AP9214L 的功能框圖,請參見圖 1)。器件內部的邏輯控制 MOSFET,如果它在充電時檢測到過壓或過流、在放電時檢測到過壓或過流以及負載短路,則將它們關閉。


AP9214L 採用高壓工藝製造,具有 24V 的絕對最大額定值,但由於它專為便攜式設備而設計,它還提供非常低的靜態電流;在正常工作條件下通常僅為 3.0μA,在掉電模式下降至 0.1μA。

電壓檢測電路還提供出色的性能,在 3.5V 和 4.5V 之間,步長為 5mV,精度為 ±25mV。它包括過充電和過放電滯後,具有充電和放電過流和過壓檢測。還包括一個內置的固定檢測延遲,它當然是使用完全無鉛工藝製造的,完全符合 RoHS 標準。

典型應用如圖 2 所示。在正常操作中,AP9214L 通過不斷監測 VDD 和 VSS 的電壓電平同時測量 VSS 和 VM 之間的差異來控制電池充電和放電。電池可以一直充放電,電池電壓保持在過放電電壓電平和過充電檢測電壓電平之間,VM上的電壓在充電過流檢測電壓和放電過流檢測電壓之間。


作為操作示例,如果設備檢測到電池電壓超過過充電檢測電壓的時間超過內置的固定檢測延遲,它將關閉充電 MOSFET 並進入過充電狀態。一旦 VM 引腳電壓下降到放電過流檢測電壓以下,電池電壓下降到過充釋放電壓以下,器件退出過充狀態。這解釋了過度充電狀態功能,這是 AP9214L 的眾多操作模式之一 - 請參閱 AP9214L 數據表 (http://www.diodes.com/_files/datasheets/AP9214L.pdf) 以獲取所有操作模式和保護功能。

AP9214L 是 Diodes 電池保護解決方案系列 (http://www.diodes.com/catalog/Battery_Protection_122) 的一部分,其中還包括 AP9101C、AP9211 和 AP9234L。 AP9214L、AP9234L 和 AP9211L 集成雙 N 溝道 MOSFET 以提供完整的單芯片解決方案,而所有四款器件均具有內置檢測延遲定時器以及 Diodes 強大的故障檢測功能。

在這個系列中,AP9234L 提供了最高的精度;例如,過壓檢測電壓為 ‑15mV 至 +25mV,放電過流檢測電壓精度為 ±12mV。然而,所有四款設備都旨在滿足原始設備製造商開發便攜式設備的需求,例如使用單個鋰離子電池運行的智能手機和可穿戴設備。選擇這些設備中的任何一個都將提供更好的保護,防止由可充電電池供電的設備中的常見故障。

對便攜式設備的需求只會增加,隨之而來的是期望,例如更小的設備、更強大的功能和更長的一次充電操作時間。滿足這些需求給電池製造商帶來了壓力,但反過來,開發最終產品的原始設備製造商必須確保它們仍然安全且適合用途。通過設計保護,這些設備製造商可以在未來很多年繼續滿足現有和新興市場的需求。

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