来源：创新方案大讲台 作者：卢惟
本文选自 跨越LED家居照明应用设计的最后门槛 专题

 

中心议题：
    * 创新方案大讲台精彩笔录

欢迎大家来到这个论坛，我是来自精工技术有限公司的FAE，我叫（卢惟），我们有一个展位在后面，论坛之后，大家还对锂电有问题的，可以到我们的展位里面，我们可以和大家详细讨论、交流一下，今天。我的主题是针对多节锂电的保护的方案或者是保护的一些经验跟大家分享一下。
 


首先我想简单介绍一下我们公司的情况，我们公司叫做精工电子有限公司，我们公司是属于日本的精工集团，日本精工技工除了我们，我们是SII，还有一个叫SEIKO，就是精工手表，以前做手表的。另外还有个叫爱普森，它跟我们也算是兄弟公司，但大家做的产品在这边有点不太一样。我们最早是做机械手表，到了70年代我们为了做电子手表，成立了不同的事业部，比如说电子手表的显示部分，还有IC电子手表里面的计算时间的部分，另外还有晶振，也是时间的一个产生点，当然还少不了电池，就是给手表供电的。今天我是代表IC部门来为大家介绍其中一款IC。说句题外话，我们今天讲完之后，我们会有一点时间给大家提问，提问完之后，我们有一个有奖问答，我提问，然后大家知道答案的就举手，举手快的话，我们会请你回答，回答正确就有一个纪念品，是4G记忆卡。在提问完了之后，还有一个抽奖，奖品是苹果公司的一个音乐播放器，大家之前要是没有到我们公司没有提交名片，或者是填写抽奖的单的话，回头向工作人员索取填一下。我们回到正题。


 
我们最早是做手表，后来是做各种各样的产品，


 

 
正是由于我们做电子手表，我们的IC产品具备四个特点：


 
第一，低功耗、因为戴过手表的人知道电子手表里面很小的钮扣电池通常可以用2-3年，为什么小的电池能用这么久？主要是因为里面的器件比较省电、低功耗。第二，低工作电压，同样是一个电池，IC的工作电压要低，电池使用寿命就越长。另外是精度，我们最好的手表精度一年只相差2秒钟，但一般的手表一天都不只2秒钟。


 
另外封装也是做得越来越小，我们的手表也是做得越来越薄。回到我们IC，IC同样也具备这四种特点，举一个例子，比如说IC在功耗方面，我们具体的功耗是2.5个微安。今天讲锂电，就提一下，锂电有五串的锂电保护方案，它的功耗只有1.6个微安。大家要是做锂电的可能知道，做一个五串的一个方案出来，功耗不可能做到这么低。用其他方法，比如用单面机，一个单面机就几个毫安的耗电，不可能做到一点几个微安。

另外，就算是做单节的，一般也不只这个数，单节的锂电保护一般要需要3-5个微安。会后会介绍这个IC。

另外低工作电压方面，我们最低的工作量是0.3伏，非常低。锂电方面，我们几乎所有的锂电产品都有具备了零伏充电功能，所谓零伏？就是电压跌到零伏了，我们IC还可以给他充电，还可以控制充电的mos管，这是我们的一些技术。

另外精度方面，我们锂电方面正负0.5%的精度，对于锂电，里面有一个矛盾，大家都希望充电充得越饱越好，但另外充得太饱又怕它爆炸，希望充到期限值，所以我们这个精度做得很高，你希望充到多少就充到多少。这是精度，另外我们最小的封装是WLP封装，比它还大一点的是叫SND封装。刚才说了我们是做IC的，IC其实除了锂电红色这一部分，还有很多其他产品，今天就不详细介绍，就简单提一下。包括有电源方面的传感器，包括温度等方面的传感器，这些在锂电方面其实也会用到，比如说温度的保护，另外还有RBC、运放、比较器都有。我们今天主要讲锂电这一块。
 


锂电方面，我们的精工有非常丰富的产品线，包括从单节的到多节的，单节通常用在手机上面，每个手机必须有一个锂电池，锂电里面都有一个保护IC。双节的，我们通常给DV、数码相机、高端一点的单板都会用到双节的。三节、四节通常是笔记本电脑，型号方面，单节的有811、861、841，这三款在行业应该买得比较火。只要你是做锂电的，我估计或多或少用过，至少听说过。另外两节的有823、824，另外三节、四节通常会用到8254，这些都是业界比较接受的。另外这里面我还标出了四款是红色的，这红色的四款是比较新的产品，都是针对这种传统应用以外的，都是多节的，比如说有809、804，这两款这是写了一个级联，也就是说这两款IC可以及时级联，什么叫级联？后来会有详细的介绍，它可以组合任何一个方案。



除了这两款，我们今天也带来了一个非常新的产品，是S-8205和8215，这两款专门针对电动工具，电动工具通常是18伏系统，18伏系统是用五节的电池去做。五节的电池我们用805就刚好去针对这个应用。805也加入了很多新的设计理念，有很多新的功能，后面会详细介绍。

另外前面说了我们称之为一次保护节是第一重保护，有时候我们会担心第一重保护万一失效怎么办？其实后面还有一些蓝色部分，是二次保护的，也就是说它是作为第二重保护的，我们不希望动作，一旦它动作的话，应该是里面已经失效了，这种是非常极端的情况。有些个别的情况会用两重的保护。


 
下面我们看一下最简单保护的电路图，这是针对手机电池单节的。把手机电池的壳去掉，这就是它里面的一个东西，银色部分是锂电池电芯是组成功能的部分，它的侧面有一个很小的保护板，保护板里面圈的部分就是我们的IC，就是这个图黄色的部分。左边有一个八个角的封装，是一个双mos管也就是图的这两个管，这两个管是组合在一起的。其他的是一些电阻、电容，这种电路功能也很简单，首先是IC监控电芯正、负极，看它电压的变化，然后控制这两个MOS管，里面这个我们称之为放电控制MOS管，外面这个是充电控制MOS管，这两个MOS管同时关闭，又不能充又不能放。假如说只关闭一个，它可能只有一个功能。举一个例子说这个管关闭了，它就只能放电、不能充电，可能有人觉得一个回路上关了一个，为什么能放，不能充？因为它下面有一个集成二极管，这个集成二极管能流过电流。另外，我们这个IC还肩负的工作是监控整个回路的放电电流，只要说放电电流太大，我们也会关闭里面的放电管，禁止它放电。

这是单节的，单节的特点就是电路简单。因为它考虑到成本，因为用到手机上面，量非常大，它每增加一个电阻、电容都是成本，所以我们把它所有延迟电路都内置了。而且用的管是N管，这样成本就很低了，而且它外围需要简单的两个电阻、一个电容，最多是一个滤过电路，必不可少。
 


我们再看看两节的，两节跟单节的基本上是一样的电路，只是中间多了一个检测端子，所以它就有6个点的封装，前面是5个角的封装，这种电路就没有什么太大的不一样。

 

到了三节、四节就有一个很大的不一样了，首先它的MOS管用的是（11：14）MOS管，它会贵一点，但这也是没有办法中的办法，因为三串、四串用在笔记本上面，笔记本不希望你把下面的（地）切断，比如说你用N管，必须放在下面才能好控制，这样一旦关闭了，下面的（地）就切断了。外面还会挂很多电量管理IC，还挂了各种各样的逻辑电路，它不希望你切断（地），所以必须放在上面，这是第一个不一样。



第二个不一样是它外面挂了很多电容，这个电容是做延迟时间设定用的，前面单节是内置的，多节的话由于功能更强大，用户需要有更多手动的功能，它需要控制时间，所以就外置了另外，这里加了一个电阻，这个电阻方便设定涡流保护点的。这些用户都可以自己设定。


 
另外我们也增加了一些控制端口，选择端口，你可以选三节和四节，统一IC，下面可以介绍一下我们新的产品，是五串的。因为以前一般都做到四串，现在的话就越来越多，针对电动工具，电动钻、电动锯这种都是五串为主。这里的文字描述就不详细说了，就直接看电路。这个电路大家书看的时候很简单，是五串的电路，外围没有多余的东西，右边是一些滤过电路，这边三个电容是设定延迟的，这边没有什么多余的，这边是一个充电器，这边是负载，我们为了方便看，就画在了一起，这个电路有什么特点？第一点是以前的IC都没有的，我们叫断线检测功能，这是电芯跟IC之间的联线，只要断了一根，比如说下面的断了一根，我们IC会关闭MOS管，禁止它充电，这样就达到一个保护作用。因为以前的IC你就算断了一根线，里面有分压电阻，分压电阻会把电压传过去，所以以前的IC就没有断线保护功能。但客户经常跟我们说，特别是动力方面的，他经常插拔电池包，可能会松、会有灰尘，接触会变得很不可靠。这个情况下就需要有一些断线检测功能在里面，这是第一个功能。

第二个功能同样跟三节、四节一样，我们有电阻来检测过流，但过流放电只设了两段，以前都是有三段，第三段是短路，第一段是过流保护，过流跟短路之间以前通常是有10倍的差距，就是你第一段设置了20安培，短路是200安培，200安培是不可能产生的，产生的时候可能就非常危险了。所以我们的第一段和第二段之间设得很短，而且是你可以选的。第一段你设置0.1伏，第二段你可以设置0.3伏，或者是1伏都行，你自己可以通过我们不同的型号去选择。这是一个突破的改进。

第二点，我们也增加了充电保护功能，通常充电有充电器，所以我们研究的产品都没有把充电过流放在里面。但这一款我们也做了充电过流，以防充电器失效。特别是国外的用户动手能力比较强，他买回来一个机器，他喜欢把电池拆下来自己去充电，充电的时候就有可能出现一些危险的情况。所以我们这里增加了一个充电过流保护功能。

第三点，是增加了两个端口，这两个端口你可以挂一个电阻，这样就可以正常工作，只要说你单边去控制它也可以，或者用PDC直接控制它也可以，PDC通常是用做温度保护的，当温度高，它的偏阻值会变大，变大的的话，IC就会控制这两个MOS管，一个角是控制MOS管，一个角控制这个MOS管，充、放电分开控制，这是第三个特点。


 
我们的延迟时间都可以独立的设置，通过外围的，这里有三个电容，一个是过充、过放、过流三个时间是独立控制的。另外还有一个是VN端结构，我们内部做了很多的处理，因为有用过精工IC的人都知道，VN端是一个功能非常多的角，以前的IC，这个角，我们不希望用户自己去加外围电路，不希望他去改。但这个IC，我们为了配合充、放电分口，所以就做了很多处理，这个脚就做得很简单。所谓充、放电分口，就是这个是共口的，这个充电器、负载器是同一个结点的，下面再看这个是分口的。上面是一起的，下面是分了两个口，上面是充电、下面是放电，分口有什么好处？其实它这样，两个MOS管可以接在不同大小，因为一般来说，充电电流很小，放电电流很大，这样里面的MOS管是放电的，它需要的就很大。外面这个是充电的，可以做得很小，这样成本上就节省了，因为这个MOS管，不要小看它，一个MOS管可能比我们IC还贵，所以这里面可以节省很多的成本。


 
大家看分口的电路，跟刚才共口的电路，只是加了一个电阻而已，就是非常简单的分口电路。在业界一般做分口，就是要接很多很复杂的逻辑电路在里面。另外也简单介绍一下我们同时推出的S-8215的二次保护功能，就是下面这个IC，




 
它刚才说了是二次保护，二次保护是非常奢侈的一个IC，它平时不工作，因为它一般工作的话，它要切断保险丝，保险丝一断，你的电池包就报废了要拿到原厂去维修，把它换掉，这是非常奢侈的东西。我们平时不希望它工作。但它一旦工作，就证明你的条件很危险了，所以IC的可靠性要求也很高。


 
刚才我提到的一个五节保护IC的功耗就只有1.5个微安，因为它的IC是不能休眠的，一直要保持工作，就算电池、电压没电了，它也要工作，因为它是二次保护，它不能休眠。像我们见面的IC都有休眠功能，当你电池没电的时候，它要睡觉的，实际上就是零耗电，我们不希望因为我们这个IC，导致你的电池放到零伏了，虽然我们有零伏充电功能，但我们不希望这样。所以我们一般来说，过放以后，所有的IC都要休眠，除了二次保护的IC。


 
另外，这是跟刚才一样的，只是不同的分口的电路，另外我们还有一个叫H-5846的一个温度保护IC，这里面为什么要拿出一个温度保护IC？因为我们很多公司都有做温度保护IC，但这一款我们是专门针对锂电方面设计的，为什么这么说？首先第一点，它也带了一个休眠功能，刚才说了，锂电保护IC有休眠功能，但一般的温度传感IC都没有。但我们这款就有休眠功能，也就是说当你电池没有电的时候，这两个IC都同时睡觉去了，就是零耗电。这样就保证电池包不会因为这两个IC放干净了不能用了。
 


另外IC还带了一个端子，它有什么用？当外面还有MPU的情况下，你可以通过MPU控制它，因为温度的变化不像电压的变化，它是很缓慢的，温度的传递很缓慢。它需要升高一定的温度需要很长的时间。所以你不需要及时的监控它，你只需要每隔半小时或者10分钟甚至一个小时去监控一下就行了。因为每监控一次，它就要耗电，虽然说不大，只有几个微安的耗电，但也是要耗电。所以我们不希望这样的话，你可以关掉它，平时关掉它解决零耗电。你需要检测它你就每隔一段时间打开一点点时间，它就可以达到省电的功能。




 
这里是我们的一个电路板，黑色这块是我们的IC8205，这里面预留了很多MSO管，不同封装的焊盘，右边的六个焊点是刚才说的高精度的电阻，检测电流用的。由于电流全部经过电阻，它要发热，所以我们要预留很大的空间给它散热。上面是一些滤过电路和一些简单的电阻、电容。这个板我们可以免费提供给大家，假如说大家有这个兴趣，可以到后面的展位那里，跟我们的销售人员联系，我们可以免费提供给大家的。但这只是五串的，只要你需要多串的，后面我还会介绍其他的产品。


 
下面再介绍五节以上的一些方案，因为可能在座的我相信不是所有都做电动工具，可能还有做其他产品的，比如电动单车、电动摩托车或者其他的航模方面，可能需要多串的。先说一下一般市场的做法，这个做法我们可能没有这些产品，首先第一种是单芯片的方案，可能它有很多很强大的功能，它一个芯片，
 


比如你需要12串一个保护方案，它一个IC就搞定了，这种好处就是电路很简单，而且它里面的保护点可以设定，通过MCU也好，通过电脑也好，可以设定保护点，这个好处就是简单、方便使用，但它的一个局限性是说首先的VDB直接挂在所有电池上面，IC本身就承受很高的耐压，它的生产成本很高，所以这个IC卖得可能比较贵，有用过这种IC的人应该知道，一般来说都几美金左右的成本。




 
另外第二点刚才说了，抗干扰方面，可能考虑更多的电路，怎么去保护它，防止干扰去改写集成器。因为锂电本身是需要保护它，你自己引诱了一些风险在里面，这也是需要下很多功夫去想的。


 
另外，这个IC需要控制MOS管，通常来说从VDB直接引过来是最简单的方法，要是说这样做的话，MOS管VDS电压就很高了。可能等于的12的电池电压，最高可能推到50多伏，这样的MOS管成本也很高。所以在整个业界，用的主流还不是这种，用得比较多还是级联的方法，所谓级联就是用这种单个的锂电保护IC，我们精工刚才说了像8211、8418、861这种，是单科的锂电保护IC，通过这种IC，再通过这一堆框框，我们简化了，这是一对逻辑电路，把很多信号集中起来，也在统一通过这部分电路控制这两个MOS管，这种方法最大好处就是成本低，一个单个的IC可能0.1美金不到，加起来12个刚好可能一个美金左右，成本非常低，而且它的控制电压也有很灵活的设定，你需要多少电压都可以。这样MOS管的成本相对来说也比较低。但这种方案最致命的一点是它的逻辑电路非常复杂，而且可靠性很低，然后它的很多功能很难实现，比如像我刚才说的休眠功能，这种IC一般很多去实现。过放所有逻辑电路，IC还在耗电，所以它的性能上应该来说是稍微欠缺一点。

精工是结合了这两种方案，去做自己的想法，首先我们希望这个IC是独立的一个IC，它独立就可以工作了，就可以控制比如说四节、三节的锂电池。当你需要做多节的时候，只需要把另外一个IC串起来，比如说这个是八节的，两个IC串起来就行了，需要12节的，就三个IC串起来。所谓串起来就是这里加了一个线就可行了。就不需要加其他的逻辑电路，也不需要加其他控制的单元在里面，直接级联就行了。按照这样的一个理念，理论上来说，我们这种方案没有限制，你无论做多少节都可以。刚才有一个同行问我们能不能做160节，我说理论深，从IC的角度来说，是没有问题的。因为这个IC只承受四节电池的电压，也就是说无论接多少节，它只承受它自己四节的电池电压，其他的电池电压不会加到它的身上。所以理论上来说没有局限，但最后的局限可能在MOS管上面，MOS管的耐压，VGS解决了，因为VGS是等于这四节电池的电压，它的VGS很低，这样MOS管成本低了，但它的VDS，左右两边就等于所有电池的电压，当这个管关闭的时候，它两端的电压就等于所有的电信电压，导充的时候没有问题，导充都是零伏。所以之后的瓶颈是在MOS管上面，而不在IC上面。另外我们的IC也用P沟道的MOS管，但一般动力方面很少用P沟道MOS管因为成本比较高。但有一些特别的案例，刚才说了，只要说他不希望切断（地），在这就可以用这种P沟道MOS管，我们的IC也可以支持。


 
另外型号方面我们有两款是可以支持这种级联，


 
一款是S-8204，一款是式S-8209，这两款是可以及时级联的。说明就不详细说了，直接看电路图。
 




804可以独立工作，左边是A系列，右边是B系列，A系列是支持P管的，B系列是支持N管的，它的功能跟8205非常类似，有过充、过放、过流都是通过电阻设定过流的，以后延迟电路都可以通过这三个电容去设定，其他的都是有两个控制端口，你可以去接其他的控制，它跟8205唯一不同的是断线检测功能，它这个就没法去做，就没有做在里面。


 
这是一个实际的应用电路图，是618串的，电路非常简洁，大家可能这里可能还有一、两个小MOS管，这个MOS管是为了实现休眠功能的，无论你做多少串，以后当你某个电池过放以后，它的IC是要睡觉的，整个电路是零耗电，这点在其他很多方案都很难做到。特别在多节里面，一个外围电路、逻辑电路非常复杂，很难做到这种休眠功能，但我们这个IC就可以实现这种零耗电的功能。


 
这是我们的一个电磨板，是6-8串的一个电磨板，当然我们也有12串的电磨板，电磨。大家假如需要的话，我们在后面有精工一个展位，跟我们的工作销售人员联系，我们可以免费的提供。


 
另外还有一款是8209，它跟8204功能很像，唯一一样的是它只监控单节的，另外它也内置了一个小MOS管，外置的一个小MOS管是内置了一个平衡电路在里面，因为8204，我们没有把平衡做到里面。很多客户都说了，在多节里面平衡是一个很头疼的问题，比如开始是新的没有问题。当用了一年或者几个月之后，可能发现有些电池电压偏高、有些偏低，这样导致这个电池包的使用寿命很短，一充电就饱了，一放电又没有了，实际上电池还有电，只是放不出来而已。针对这种情况，我们我就内置了一个平衡功能，它充电、放电都可以做平衡。要是有兴趣，我们等一下会简单介绍一下这个IC下面我们再介绍一下我们的经验，


 
首先第一点是设计方面，以8209为例，假如说你需要做三串的电路就是这个电路，可能过两个月之后，有一个新的客户过来，要你做一个5串的，怎么办？你只需要把中间的部分做成三块就行了。




 
对于研发人员来说，实际上是它可以大大节省研发的周期，或者是节省研发的时间。


 
大家看这三个电路完全是一样的，没有什么不一样的地方，可以完全做成一个模块化，这样对你的生产、研发都是很大一个成本的节省。当然上下两块可能不一样，你必须做成一些区别出来。


 
另外刚才说到平衡，在业界最多的平衡的方法，是通过这种方法去做了，这个蓝色是充电电流，当你这个电平电压偏高了，这个管就会打开，让它去分流，这样它真正的电芯的充电电流就等于充电器的电流减去平衡的电流，其他电芯等于充电器的电流。这样反过来说，相当于这节只有电芯的充电速度就变慢了。其他电芯的充电速度就比较快，一定程度上这个电芯就慢慢从其他快的接上来，这样会达到一个相对的平衡。当然这是不可能完全一样的电压，只是相对而言。





这是业界用的最多一个方法，针对这种方法，我们也有一款IC是S-8211一系列，这款专门针对这种应用的，这里面再介绍一下8209的一个平衡的功能，首先是充电的平衡，原理上跟刚才是一样的。假如说你这款过充了，它会平衡，另一款又过充了，它又分流，到了最后，可能所有的电芯都会做平衡，或者你有其他的达不到的话，就不平衡。如果都达到的话，都一起去平衡，之后都是停止在某个点，这个是电芯电压停到了这个点。


 
另外再看看8209的一个放电的平衡，因为一般业界做充电平衡的很多，做放电平衡的基本上很少，我们这里面也提供了这个功能，这个功能是可选的，你需要就要，不需要可以不用这个功能。它是怎么做放电平衡的？


 
首先当一个电芯过放以后，我们会通过一个回路来控制这个MOS管让它关闭，同时我们会让其他的IC去进行放电，这个电芯电压达到很低了，其他的电芯电压还比较高，我把它放下来，放到同一个线，放电又什么好处？为下一次充电做准备，这样下次充电再同一个起跑线去充。相对来说，我们觉得可能充得更全面一点，达到上面的时候也相对平衡一点。但这种就是你说到底实用性怎么样，要看你实际的应用来看。


 
另外还补充温度保护方面的，可能很多朋友也会问，而且一般用（NDC）的比较多，这是温度跟电压的曲线图。这种曲线有什么局限性？


 


在高低温的时候，这边是低温的，这边是高温的，相对来说比较平，平就意味着每变化一定单位的温度，它的电压变化很小，这样你就不容易去监控它或者这个精度就很差。而且由于是这种电路结构，它耗电也会比较大。为了改善这种状况，我们研发了IC方式的温度传感器。它的一个特点是温度跟电压极限，无论在哪个温度点都是一样的分辨率，这样就容易去控制。另外它的功耗一般是几个微安，跟我们锂电保护IC一样，是非常低功耗的，这样就可以为大家节省耗电。
 


这是看一下它控制的一个方式图，因为刚才说了8204也好，8205也好，它都有两个控制端口，

 

你可以用一个IC控制充电，另外一个IC控制放电，这样你可以实现高低温不给它充电，高温不给它放电，这很容易实现独立的控制。因为我们都预留了这个角给大家。


 
最后再说一个LDO，因为在多节里面，比如说你这里面有一对逻辑电路或者MPU，MPU也要供电，它的耐压一般不会太高，所以你会把它挂在三节电池里面，所以这三节会造成比较大的耗电，造成了三节电池的电压会偏低，为了解决这个问题，我们会考虑用一种LDO去做，


 
LDO高耐压的市场很多，有一些可能几百伏都有，但他们的功能很大，用在里面盲从可能觉得耗电太大了。比我这个保护IC还大，怎么解决？


 


我们精工也做了一款叫S-1142的一个IC，这个IC的耐压有50伏安，而且它的功耗只有4个微安，比我们锂电保护IC还小，这样使用于锂电保护的场合，它的一个输入电流带载能力有200个毫安，封装是相对来说比较大，方便它散射，另外电容只需要一个0.1微的电容，而且它也内置了过流、过温、空气端口各种各样的功能，都内置在里面，讲锂电方面就讲到这里。
 


本文整理自  2011CCEF 创新方案大讲台的演讲内容，