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保护可携式消费电子产品中的锂电池
 

【作者: TE】2014年12月02日 星期二

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智能型手机、平板计算机等日益普及的可携式消费电子产品不但设计时尚,而且外形越来越轻薄,而统称为锂电池的锂离子(Li-ion)和锂聚合物(LiP)电池已经成为这些应用不可或缺的电源。由于传统的圆柱形电池已难以满足消费产品对电池技术和外形尺寸的要求,因此市场对能量密度高、外形尺寸小和设计灵活的锂电池的需求也水涨船高。这些电池需要更小的电路保护器件,以在更薄且更紧凑的可携式产品中提供强大的保护功能。


保护需求

锂电池组对于外部短路、充电失控和滥用过充所引起的故障非常敏感,这些故障可能造成具有破坏性的过流和过热情况。此外,UL、IEC和IEEE等机构还针对锂离子和锂聚合物电池组制定了强制执行的安全规范和既定测试要求,以确保它们能够抵御短路和过充情况。


过充电、深度放电或短路情况可能产生热量而导致锂电池芯膨胀、破裂或起火。虽然电池芯内部的故障不太普遍,但如果提供电池过热、过充、欠压或过压保护的电池组保护电路发生故障,便可能引起热失控,继而产生灾难性故障。这些电子设备通常含有保护控制模块(Protection Control Module;PCM),其中可能内置电量计、充电控制或者一个IC和FET器件,因此多电池芯构成的电池组需要多级保护。


不同化学特性的电池,需要特定的充电曲线来优化性能,并将潜在的危害减到最小。如果这一特性曲线没有满足,则可能发生过充情况。若出现过流或过压情况,或者两者结合,都可能导致电池芯出现过充。如果充电电流或电压超过规定值,电池温度便可能急剧升高。在典型的过充故障中,当完全充电的电池芯承受过大电压,便会因为温度上升而导致内部化学性能衰退。


PolySwitch PPTC器件

低温PolySwitch PPTC(正温度系数聚合物)器件特别适用于限制充电电流不超过电池组的正常工作温度。该器件具有复位功能,可确保因为暴露于高储存温度(如在大热天将手机留在车中)而引起的误动作 不会使电池组永久失效。由于电池组可能遇到的大多数故障情况相对少见,或者只是偶发事件,因此可复位保护通常是首选方法。


锂电池组通常包括能够检测和实施过压、欠压、过热和过流保护的IC器件。IC和MOSFET可作为主要的电池保护,连同电量计来跟踪电池容量、充电状态(百分比)、用完时间(分钟)、电池电压(mV)和温度。


PolySwitch PPTC器件与电池串连,如果控制电路发生故障,便可提供二级保护。虽然半导体电路一般是可靠的,但主要保护电路可能会在一些情况下发生故障,包括过高的静电放电、短路状态下的高温或振荡。这时,PolySwitch PPTC器件将有助于提供充电和放电时的电池过热保护,以及多重过流保护。如果电路中加入了PolySwitch PPTC器件,随着电池温度上升,PPTC周围温度相应上升,纵使较小的电流也会触发PPTC的保护功能。


PolySwitch PPTC器件具有低电阻特性,有助于满足电池组的低电阻需求,在发生过充电的情况下,其低动作温度亦有助于防止电池的热失控。PolySwitch PPTC可复位器件具有各种外形尺寸和额定电流,以及从摄氏85度 至125度的一系列热保护温度。


PolySwitch 带状产品

PolySwitch PPTC 带状产品包括SRP、LR4、VTP、VLR、VLP、MGP和MXP系列,这些器件能够安装在圆柱形电池组、方形电池,甚至软包装电池中,并可应用于特定化学性或使用规范的电池。PPTC「带状」器件的外形尺寸有如扁平的卷标,能够使用点焊方式连接到电池芯或电池组的条带上(图一)。



图一 : PPTC strap器件(右上)为保护电池单元提供了节省空间的解决方案
图一 : PPTC strap器件(右上)为保护电池单元提供了节省空间的解决方案

PolySwitch PPTC表面黏着器件

PolySwitch PPTC表面黏着(surface-mount)产品体积小,有助于节省电路板空间和降低成本,适合空间受限的电池保护板应用。例如miniSMDxxxx和miniSMDxxxLR (低电阻)器件的外形薄,尺寸小,可以使用回流焊制程。尽管多数表面黏着的PPTC器件都已经拥有低电阻的特性,但这些miniSMDxxxLR器件的电阻更低,有助于进一步降低系统的电阻。


PolySwitch PPTC 圆环器件

PolySwitch PPTC环状器件是使用PTC材料制造的圆环,可以放入Li-ion 18650圆柱形状电池头部,在装配之前的运输期间保护电池芯。这些环状器件还可保护单独销售给消费者使用的AA和AAA尺寸非充电电池。


PolySwitch PPTC L型带状器件

PolySwitch PPTC L型带状器件为锂电池应用提供一个可点焊及可回流焊的方案,而且在室温下的工作电流高达4A,适用于高性能平板计算机。此外,它们还具有超低电阻,有助于维持系统低电阻。如果将保护电路放置在接近电池芯的地方,便毋须使用较长的金属连接片,有助于提升热感测性能。


L-Tab器件可以通过回流焊方式焊接到电池PCM上,该器件的L形状一端可以直接点焊到电池芯的电极上,从而节省成本。此外,当折迭PCM放入电池组时,其L形状有助于减少生产步骤。


具有热保护功能的金属混合PPTC器件(MHP-TA)

MHP-TA (热保护)系列MHP(金属混合PPTC)器件为较高能量的锂聚合物电池组提供了可节省空间的创新解决方案,这些超薄、可复位热关断(TCO)器件包括一个与双金属片断路器并联的PPTC器件。它们在摄氏72度至90度温度下进行热保护,同时采用小型SMD封装,提供高耐压和低保持电流。MHP-TA器件的优势包括极低电阻、热关断能力、闭锁保护以及复位能力。由于内置PPTC在故障期间会保持双金属触点打开,所以消除了传统双金属片的非闭锁特性。


表面黏着式保险丝

表面黏着式保险丝可以提供不可恢复保护,避免可能引起的灾难性后果。TE电路保护部为这些器件提供了从0402到1206的表面黏着封装尺寸范围,大多数安全标准限制了最大熔断器电流为5A。保险丝会在发生故障时熔断,使电池组永久失效。若希望某个应用在电路发生过流故障时永久关断,便应该使用保险丝,而不是可恢复的PolySwitch PPTC。


结论

电池组的趋势是朝更高的空间效率发展,这就需要尺寸更小的保护器件。现在,电池应用设计人员可从一系列不同外形尺寸和特性的保护器件中选择合适的产品来满足其设计需求。(本文作者Sirikhit Maniraj为TE Connectivity应用工程组科学家)


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