高集成度单芯片锂电池保护解决方案

高集成度单芯片锂电池保护解决方案

目前锂电池的应用越来越广泛，从手机、MP3、MP4、GPS、玩具等便携式设备到需要持续保存数据的煤气表，其市场容量已经达到每月几亿只。为了防止锂电池在过充电、过放电、过电流等异常状态影响电池寿命，通常要通过锂电池保护装置来防止异常状态对电池的损坏。

锂电池保护装置的电路原理如图1所示，主要是由电池保护控制IC和外接放电开关M1以及充电开关M2来实现。当P+/P-端连接充电器，给电池正常充电时，M1、M2均处于导通状态；当控制IC检测到充电异常时，将M2关断终止充电。当P+/P-端连接负载，电池正常放电时，M1、M2均导通；当控制IC检测到放电异常时，将M1关断终止放电。

 
图1：锂电池保护装置电路原理。

几种现有的锂电池保护方案

图2是基于上述锂电池保护原理所设计的一种常用的锂电池保护板。图2中的SOT23-6L封装的是控制IC，SOP8封装的是双开关管M1，M2。由于制造控制IC的工艺与制造开关管的工艺各不相同，因此图2中两个芯片是从不同的工艺流程中制造出来的，通常这两种芯片也是由不同的芯片厂商提供。

图2： 传统的电池保护方案。

近几年来，业界出现了将几个芯片封装在一起以提高集成度、缩小最后方案面积的趋势。锂电池保护市场也不例外。图3中的两种锂电池保护方案A及B看起来是将图2中的两个芯片集成于一个芯片中，但实际上其封装内部控制器IC及开关管芯片仍是分开的，来自不同的厂商，该方案仅仅是将二者合封在一起，俗称“二芯合一”。

图3： “二芯合一”的锂电池保护方案。

由于内部两个芯片实际仍来自于不同厂商，外形不能很好匹配，因此导致最终封装形状各异，很多情况下不能采用通用封装。这种封装体积比较大，又不能节省外围元件，所以这种“二芯合一”的方案实际上并省不了太多空间。在成本方面，虽然两个封装的成本缩减成一个封装的成本，但由于这个封装通常比较大，有的不是通用封装，有的为了缩小封装尺寸，需要用芯片叠加的封装形式，因此与传统的两个芯片的方案相比，其成本优势并不明显。

图4是一种真正的将控制器芯片及开关管芯片集成在同一晶圆的单芯片方案。传统方案原理图1中的开关管是N型管，接在图1中的B-与P-之间，俗称负极保护。 图4中的方案由于技术原因，开关管只能改为P型管，接在B+与P+之间，俗称正极保护。用此芯片完成保护板方案后，在检测保护板时用户需要更换测试设备及理念。此方案虽然减少了一定的封装成本，但芯片成本并没有得到减少，在与量大成熟的传统方案竞争时也没有真正的成本优势。相反其与传统方案不相容的正极保护理念成了其推广过程的巨大障碍。

图4：正极保护的锂电池保护方案。

上面的“二芯合一”方案及单芯片正极保护方案虽然在方案面积及成本上给用户带来了一定的优势，但优势仍不明显。这些方案同时又带来了一些弊端，因此在与成熟的传统方案竞争客户的过程中，最终还是只能以降低毛利空间来打价格战。由于这些方案的真正原始成本并没有明显的优势，所以随着传统方案的控制IC及开关管芯片的降价，这些“二芯合一”的方案或正极保护方案并没有能够撼动传统方案的市场统治地位。

近年来市面上出现了众多新创的开关管芯片厂商，为了降低成本，封装时原本打金线改成打铜线，开关管也不带ESD保护。这些产品虽然在性能上与品牌开关管相比有一定的差异，但因为成本优势很快抢占了二级市场，也为传统方案在与“二芯合一”及正极保护方案在市场竞争中的胜出作出了巨大贡献。

全集成锂电池保护方案

赛芯微电子通过自主研发的多项器件及电路专利结合独特的工艺技术，将控制IC与开关管集成于同一芯片，推出世界最小的锂电池保护方案XB430X系列产品。该系列产品采用传统的N型开关管，与传统方案的负极保护原理一致，保护板厂商或电池厂商无需更换任何测试设备或理念。该系列芯片本身就是一个完整的锂电池保护方案，无需外接任何元器件即可实现锂电池保护的功能。为了防止Vcc线上的噪声，建议在使用XB430X系列芯片时在VCC和电池负端之间外接一个电容，如图5所示。

 
图5：XB430X系列锂电池保护方案。

XB430X系列芯片集成度非常高，不仅将传统的控制IC和开关管集成，而且将原理图1中R1、R2也集成到同一芯片。 集成后的芯片非常小，最小的可以采用市面上通用的SOT23-5L封装。该芯片系列开关管内阻极低，最小内阻可达40mΩ以下，与市面上最好的开关管内阻相当。当采用最小封装SOT23-5L时，持续充电和放电电流可达2.5安培，而不会有散热问题。若持续充放电电流大于2.5A，建议使用XB430X系列中的SOP8封装产品。

XB430X具有传统保护方案中的所有保护功能：过充保护、过放保护、过流保护和短路保护。不仅如此，由于控制IC与开关管集成于同一芯片，控制IC可随时检测开关管芯片温度。当电池因长期在高温环境下使用，或充放电时电流超过正常充放电电流，却又没有达到过流保护阈值等原因而致使芯片温度过高时，会启动过温保护功能，以保护芯片及电池。另外，内置开关管带有ESD保护功能，可大幅提高保护板和电池在加工过程中的良率。

XB430X内部控制IC及开关管来自于同一个生产工艺，同一个厂商，封装选用最成熟通用的封装形式，因而一致性能比传统方案、“二芯合一”方案、正极保护方案都要高很多。

采用XB4301系列芯片，完成最终电池保护方案只需两个元器件(如图5所示)，与传统方案的5个元器件相比，每台贴片机的产能和效率可以提高到原来的2.5倍。与传统的方案相比，保护板厂商不仅不要购买电阻及开关管芯片，精简了资源链，而且在制作保护板时减少两个电阻的焊盘以及开关管的8个焊点，从而大大降低了保护板的制作成本。