目前鋰電池的應用越來(lái)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(chǎng)容量已經(jīng)達到每月幾億只。為了防止鋰電池在過(guò)充電、過(guò)放電、過(guò)電流等異常狀態(tài)影響電池壽命，通常要通過(guò)鋰電池保護裝置來(lái)防止異常狀態(tài)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(kāi)關(guān)M1以及充電開(kāi)關(guān)M2來(lái)實(shí)現。當P+/P-端連接充電器，給電池正常充電時(shí)，M1，M2均處于導通狀態(tài)；當控制IC檢測到充電異常時(shí)，將M2關(guān)斷終止充電。當P+/P-端連接負載，電池正常放電時(shí)，M1，M2均導通；當控制IC檢測到放電異常時(shí)，將M1關(guān)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。圖中的SOT23-6L封裝的是控制IC，SOP8封裝的是雙開(kāi)關(guān)管M1，M2。由于制造控制IC的工藝與制造開(kāi)關(guān)管的工藝各不相同，因此圖2中兩個(gè)芯片是從不同的工藝流程中制造出來(lái)的，通常這兩種芯片也是由不同的芯片廠(chǎng)商提供。

圖2： 傳統的電池保護方案。 

近幾年來(lái)，業(yè)界出現了將幾個(gè)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(chǎng)也不例外。圖3中的兩種鋰電池保護方案A及B看起來(lái)是將圖2中的兩個(gè)芯片集成于一個(gè)芯片中，但實(shí)際上其封裝內部控制器IC及開(kāi)關(guān)管芯片仍是分開(kāi)的，來(lái)自不同的廠(chǎng)商，該方案僅僅是將二者合封在一起，俗稱(chēng)“二芯合一”。

圖3： “二芯合一”的鋰電池保護方案。

由于內部?jì)蓚�(gè)芯片實(shí)際仍來(lái)自于不同廠(chǎng)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(shí)際上并省不了太多空間。在成本方面，雖然兩個(gè)封裝的成本縮減成一個(gè)封裝的成本，但由于這個(gè)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(gè)芯片的方案相比，其成本優(yōu)勢并不明顯。  

圖4是一種真正的將控制器芯片及開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)管是N型管，接在圖1中的B-與P-之間，俗稱(chēng)負極保護。 圖4中的方案由于技術(shù)原因，開(kāi)關(guān)管只能改為P型管，接在B+與P+之間，俗稱(chēng)正極保護。用此芯片完成保護板方案后，在檢測保護板時(shí)用戶(hù)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(méi)有得到減少，在與量大成熟的傳統方案競爭時(shí)也沒(méi)有真正的成本優(yōu)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(guò)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(hù)帶來(lái)了一定的優(yōu)勢，但優(yōu)勢仍不明顯。這些方案同時(shí)又帶來(lái)了一些弊端，因此在與成熟的傳統方案競爭客戶(hù)的過(guò)程中，最終還是只能以降低毛利空間來(lái)打價(jià)格戰。由于這些方案的真正原始成本并沒(méi)有明顯的優(yōu)勢，所以隨著(zhù)傳統方案的控制IC及開(kāi)關(guān)管芯片的降價(jià)，這些“二芯合一”的方案或正極保護方案并沒(méi)有能夠撼動(dòng)傳統方案的市場(chǎng)統治地位。

近年來(lái)市面上出現了眾多新創(chuàng )的開(kāi)關(guān)管芯片廠(chǎng)商，為了降低成本，封裝時(shí)原本打金線(xiàn)改成打銅線(xiàn)，開(kāi)關(guān)管也不帶ESD保護。這些產(chǎn)品雖然在性能上與品牌開(kāi)關(guān)管相比有一定的差異，但因為成本優(yōu)勢很快搶占了二級市場(chǎng)，也為傳統方案在與“二芯合一”及正極保護方案在市場(chǎng)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(guò)自主研發(fā)的多項器件及電路專(zhuān)利結合獨特的工藝技術(shù)，將控制IC與開(kāi)關(guān)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(chǎn)品。該系列產(chǎn)品采用傳統的N型開(kāi)關(guān)管，與傳統方案的負極保護原理一致，保護板廠(chǎng)商或電池廠(chǎng)商無(wú)需更換任何測試設備或理念。該系列芯片本身就是一個(gè)完整的鋰電池保護方案，無(wú)需外接任何元器件即可實(shí)現鋰電池保護的功能。為了防止Vcc線(xiàn)上的噪聲，建議在使用XB430X系列芯片時(shí)在VCC和電池負端之間外接一個(gè)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(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)管內阻極低，最小內阻可達40m?以下，與市面上最好的開(kāi)關(guān)管內阻相當。當采用最小封裝SOT23-5L時(shí)，持續充電和放電電流可達2.5安培，而不會(huì )有散熱問(wèn)題。若持續充放電電流大于2.5安培，建議使用XB430X系列中的SOP8封裝產(chǎn)品。

XB430X具有傳統保護方案中的所有保護功能：過(guò)充保護、過(guò)放保護、過(guò)流保護和短路保護。不僅如此，由于控制IC與開(kāi)關(guān)管集成于同一芯片，控制IC可隨時(shí)檢測開(kāi)關(guān)管芯片溫度。當電池因長(cháng)期在高溫環(huán)境下使用，或充放電時(shí)電流超過(guò)正常充放電電流，卻又沒(méi)有達到過(guò)流保護閾值等原因而致使芯片溫度過(guò)高時(shí)，會(huì )啟動(dòng)過(guò)溫保護功能，以保護芯片及電池。另外，內置開(kāi)關(guān)管帶有ESD保護功能，可大幅提高保護板和電池在加工過(guò)程中的良率。 　　　

XB430X內部控制IC及開(kāi)關(guān)管來(lái)自于同一個(gè)生產(chǎn)工藝，同一個(gè)廠(chǎng)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(gè)元器件(如圖5所示)，與傳統方案的5個(gè)元器件相比，每臺貼片機的產(chǎn)能和效率可以提高到原來(lái)的2.5倍。與傳統的方案相比，保護板廠(chǎng)商不僅不要購買(mǎi)電阻及開(kāi)關(guān)管芯片，精簡(jiǎn)了資源鏈，而且在制作保護板時(shí)減少兩個(gè)電阻的焊盤(pán)以及開(kāi)關(guān)管的8個(gè)焊點(diǎn)，從而大大降低了保護板的制作成本。