基于安规标准的锂电池过充保护分析

随着智能手机以及新网络时代的到来，消费者对于智能手机电池的要求更加苛刻，由于具有更大的屏幕尺寸，更复杂的功能，必将带来功耗的增加。为保证手机正常使用，配备高容量电池已不可避免。从市场上各家主打手机产品来看，3000mAH左右产品已经非常普遍。新4G网络无论采用何种低功耗的技术，电量的消耗都是一个大问题，这也带来配备更高容量电池的需求。而根据手机研发工程师反馈，除了要求大容量电池以满足续航要求外，同时还需要电池在放电能力方面可以支持更高的持续放电电流以及瞬时大电流。而这些高放电电流的应用要求与电池本身的安全测试又存在一定的冲突。因此，如何找到他们之间的平衡点，对于电池开发设计者就显得尤为重要。为了更好的说明二者的关系，首先要了解锂离子电池保护电路，如下图：其中有1级的主动保护IC+MOSFET和 2级的被动保护器PPTC或者MHP-TA。

我们都知道电池行业最为常见的安规标准UL2054有过充测试项要求。UL2054对电池内部元件的短路原则及例外项条款规定，如果是非认证的保护器件，测试过程中会被短路掉。Fault原则如下：a.有安规认证的器件不Fault；b.任何非认证的保护元件会被Fault(短路)，通常如Mosfet，电流检测电阻在测试时会被短路；UL2054过充试验方法为，用于测试的样品电池以10*C5(2C)(一些制造厂商要求更为严格要求以1C)的恒定电流充电，每个电池或电芯都要贴上热耦合组件，然后充电直到电池或电芯爆炸,漏液，或外壳表面的温度恢复到环境温度或者达到稳定的状态。在测试中，过流和热保护装置必须要经过安规认证，没有经过认可的保护装置则应将其短路。UL2054的指标要求为不起火、不爆炸。

分析上述安规测试要求，可以确定在二次被动保护器的选择上，器件保护点越低越有利于起到保护效果。体现在PPTC器件上，既是器件的动作电流(Itrip)越小，越容易过测试;体现在温度感测双金属片器件MHP-TA上，则是器件本身动作温度点越低，越容易动作，更容易通过测试。但在实际应用端却刚好相反，通常要求电池可以满足短时间维持高电流供电不断电，甚至要求在高温(达到60摄氏度)条件下维持较高电流(4A)不动作。这体现在保护器件本身即要求PPTC在高温情况下具有大的保持电流(Ihold)。这两方面的要求存在一定矛盾，片面的保证某一方面都是不能保证产品安全及实际应用的。被动保护器件MHP-TA和PPTC的选型与实际应用条件、结构设计、参考的测试标准等有着极其密切的联系，需找到一个二者的平衡点。这就要求电池开发设计人员在开发前期即与保护器件供应商进行充分沟通，同时配合充分的实验验证，以达到既满足安规测试的安全要求，又符合实际应用。而TE作为电路保护行业引领者，在锂离子电池保护器件的开发及应用方面有着多年的经验，其生产的PPTC和MHP-TA已被大量应用在国内外手机电池厂商中。