高集成度單芯片鋰電池保護解決方案

目前鋰電池的應用越來越廣泛，從手機、MP3、MP4、GPS、玩具等便攜式設備到需要持續保存數據的煤氣表，其市場容量已經達到每月幾億只。為了防止鋰電池在過充電、過放電、過電流等異常狀態影響電池壽命，通常要通過鋰電池保護裝置來防止異常狀態對電池的損壞。

鋰電池保護裝置的電路原理如圖1所示，主要是由電池保護控制IC和外接放電開關M1以及充電開關M2來實現。當P+/P-端連接充電器，給電池正常充電時，M1、M2均處于導通狀態；當控制IC檢測到充電異常時，將M2關斷終止充電。當P+/P-端連接負載，電池正常放電時，M1、M2均導通；當控制IC檢測到放電異常時，將M1關斷終止放電。

?
圖1：鋰電池保護裝置電路原理。

幾種現有的鋰電池保護方案

圖2是基于上述鋰電池保護原理所設計的一種常用的鋰電池保護板。圖2中的SOT23-6L封裝的是控制IC，SOP8封裝的是雙開關管M1，M2。由于制造控制IC的工藝與制造開關管的工藝各不相同，因此圖2中兩個芯片是從不同的工藝流程中制造出來的，通常這兩種芯片也是由不同的芯片廠商提供。

圖2： 傳統的電池保護方案。

近幾年來，業界出現了將幾個芯片封裝在一起以提高集成度、縮小最后方案面積的趨勢。鋰電池保護市場也不例外。圖3中的兩種鋰電池保護方案A及B看起來是將圖2中的兩個芯片集成于一個芯片中，但實際上其封裝內部控制器IC及開關管芯片仍是分開的，來自不同的廠商，該方案僅僅是將二者合封在一起，俗稱“二芯合一”。

圖3： “二芯合一”的鋰電池保護方案。

由于內部兩個芯片實際仍來自于不同廠商，外形不能很好匹配，因此導致最終封裝形狀各異，很多情況下不能采用通用封裝。這種封裝體積比較大，又不能節省外圍元件，所以這種“二芯合一”的方案實際上并省不了太多空間。在成本方面，雖然兩個封裝的成本縮減成一個封裝的成本，但由于這個封裝通常比較大，有的不是通用封裝，有的為了縮小封裝尺寸，需要用芯片疊加的封裝形式，因此與傳統的兩個芯片的方案相比，其成本優勢并不明顯。

圖4是一種真正的將控制器芯片及開關管芯片集成在同一晶圓的單芯片方案。傳統方案原理圖1中的開關管是N型管，接在圖1中的B-與P-之間，俗稱負極保護。 圖4中的方案由于技術原因，開關管只能改為P型管，接在B+與P+之間，俗稱正極保護。用此芯片完成保護板方案后，在檢測保護板時用戶需要更換測試設備及理念。此方案雖然減少了一定的封裝成本，但芯片成本并沒有得到減少，在與量大成熟的傳統方案競爭時也沒有真正的成本優勢。相反其與傳統方案不相容的正極保護理念成了其推廣過程的巨大障礙。

圖4：正極保護的鋰電池保護方案。

上面的“二芯合一”方案及單芯片正極保護方案雖然在方案面積及成本上給用戶帶來了一定的優勢，但優勢仍不明顯。這些方案同時又帶來了一些弊端，因此在與成熟的傳統方案競爭客戶的過程中，最終還是只能以降低毛利空間來打價格戰。由于這些方案的真正原始成本并沒有明顯的優勢，所以隨著傳統方案的控制IC及開關管芯片的降價，這些“二芯合一”的方案或正極保護方案并沒有能夠撼動傳統方案的市場統治地位。

近年來市面上出現了眾多新創的開關管芯片廠商，為了降低成本，封裝時原本打金線改成打銅線，開關管也不帶ESD保護。這些產品雖然在性能上與品牌開關管相比有一定的差異，但因為成本優勢很快搶占了二級市場，也為傳統方案在與“二芯合一”及正極保護方案在市場競爭中的勝出作出了巨大貢獻。

全集成鋰電池保護方案

賽芯微電子通過自主研發的多項器件及電路專利結合獨特的工藝技術，將控制IC與開關管集成于同一芯片，推出世界最小的鋰電池保護方案XB430X系列產品。該系列產品采用傳統的N型開關管，與傳統方案的負極保護原理一致，保護板廠商或電池廠商無需更換任何測試設備或理念。該系列芯片本身就是一個完整的鋰電池保護方案，無需外接任何元器件即可實現鋰電池保護的功能。為了防止Vcc線上的噪聲，建議在使用XB430X系列芯片時在VCC和電池負端之間外接一個電容，如圖5所示。

?
圖5：XB430X系列鋰電池保護方案。

XB430X系列芯片集成度非常高，不僅將傳統的控制IC和開關管集成，而且將原理圖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封裝。該芯片系列開關管內阻極低，最小內阻可達40mΩ以下，與市面上最好的開關管內阻相當。當采用最小封裝SOT23-5L時，持續充電和放電電流可達2.5安培，而不會有散熱問題。若持續充放電電流大于2.5A，建議使用XB430X系列中的SOP8封裝產品。

XB430X具有傳統保護方案中的所有保護功能：過充保護、過放保護、過流保護和短路保護。不僅如此，由于控制IC與開關管集成于同一芯片，控制IC可隨時檢測開關管芯片溫度。當電池因長期在高溫環境下使用，或充放電時電流超過正常充放電電流，卻又沒有達到過流保護閾值等原因而致使芯片溫度過高時，會啟動過溫保護功能，以保護芯片及電池。另外，內置開關管帶有ESD保護功能，可大幅提高保護板和電池在加工過程中的良率。

XB430X內部控制IC及開關管來自于同一個生產工藝，同一個廠商，封裝選用最成熟通用的封裝形式，因而一致性能比傳統方案、“二芯合一”方案、正極保護方案都要高很多。

采用XB4301系列芯片，完成最終電池保護方案只需兩個元器件(如圖5所示)，與傳統方案的5個元器件相比，每臺貼片機的產能和效率可以提高到原來的2.5倍。與傳統的方案相比，保護板廠商不僅不要購買電阻及開關管芯片，精簡了資源鏈，而且在制作保護板時減少兩個電阻的焊盤以及開關管的8個焊點，從而大大降低了保護板的制作成本。