锂－离子电池，在充电或放电过程中发生过充、过放或过流时，会使电池损坏或降低使用寿命。为此，各半导体器件厂开发出各种锂电池保护器IC，用它组成的保护电路十分简单，尺寸小，可以安装在电池中组成电池组，使电池获得完善的保护。利用这种保护器IC还可开发出各种电路简单的锂－离子充电器，使充电器电路大为简化并降低生产成本。本文重点介绍台湾沛享半导体公司1999年推出的单节锂－离子电池保护器AIC1811的工作原理和应用电路。
AIC1811简介
AIC1811是专门为保护锂－离子电池而设计的，主要特点为：最大工作电压为18V；超低静态电流（在3.5V电压时为7μA）；在掉电状态（V\(_{CC}\)＝2.3V）时耗电仅0.2μA；过充保护电压精度可达±30mV；为了工作稳定（防止瞬态电压变化干扰），内部有过充、过放、过流保护的延时电路；根据不同的要求有3种防止过充阈值电压：4.35V、4.30V、4.25V，它们分别用后缀A、B、C表示；小尺寸SOT－25封装；外围元器件少，电路简单并且无需调整；工作温度范围－20℃～＋80℃。
AIC1811的管脚排列如图1所示，各管脚功能列于表1。
应用电路工作原理
由AIC1811组成的单节锂电池保护电路如图2所示。V1为控制放电的MOSFET，V2为控制充电的MOSFET，R1、C1用来消除充电器输入电压的纹波及干扰，R2为防止充电器电源接反时保护CS端的电阻，R3为V2的偏置电阻，FU为保险丝，BATT＋及BATT－为电池组的正极和负极。
正常充电时，V1、V2都导通，充电电流从BATT＋流入，经保险丝向电池充电，经V1、V2后由BATT－流出。V1、V2的导通电阻极小，因此损耗较小。
正常放电时，V1、V2都导通，电流由BATT＋经负载R\(_{L}\)(图中末画出)后，经BATT－及V2、V1流向电池负极。其电流方向与充电电流方向相反。
1．过充保护（图3）
P1为控制过充的带滞后的电压比较器，R6、R7组成的分压器接在锂离子电池的两端，其中间头检测出电池的电压并接在P1的同相端，P1的反相端接1.2V基准电压。充电时电池电压低于过充阈值电压值时，P1的反相端电压大于同相端电压，P1输出低电平，使Q1导通，V2的偏置电阻R3有电流流过使V2也导通，V1在充电时是导通的，这样形成充电回路。当充电电压到达并超过过充阈值电压时，P1同相端电压超过1.2V，P1输出高电平，经100ms延时后使Q1截止，R3无电流而使V2截止，充电回路断开，防止过充。
2．过放保护（图3）
过放保护电路由R4、R5组成的分压器、带滞后的电压比较器P2、100ms延时电路、或门及由 Q2、Q3组成CMOS输出组成。当电池电压降到2.4V时，电压比较器P2输出高电平，经延时后使OD端输出低电平，V1截止，放电回路断开，禁止放电。
3．过流保护（图3）
CS端为放电电流检测端，它连续地检测放电电流。这是利用CS端的电压V\(_{CS}\)与放电电流IL有一定关系，如图4所示。如果我们把导通的V1、V2看作为一个电阻，即R\(_{V1DS（ON）}\)及RV2OS（ON），则放电回路如图4的虚线所示。若忽略R2上的极小的压降，则CS端电压V\(_{CS}\)对地的电压为：
V\(_{CS}\)＝〔RV1DS（ON）＋R\(_{V2DS（ON）}\)〕×IL
即V\(_{CS}\)与放电电流IL成比例。
过流保护电路由电压比较器P3、延时电路、或门等组成。若放电电流超过设定阈值而使V\(_{CS}\)超过0.2V，则P3输出高电平，其结果与过放相同使V2截止，禁止放电。
要使从禁止放电回到正常放电必须解除负载，使BAN＋与BATT－之间阻抗≥10MΩ。实际上AIC1811中还有一个阈值电压为1.0V的电压比较器，其延时时间仅300μs，当有短时等故障时可瞬间断开V2而起到保护作用，图3中因简化而未画出。
4．过充后的负载检测（图5）
当过充发生后，V2截止。若去除充电器后，负载RL接在BMTT＋及BATT－之间，则放电回路可通过V2中的二极管VD2来实现，则V\(_{CS}\)端电压大于0.6V，P4输出高电平，检测出负载接入电池组。在放电后电池电压降到阈值电压减一个P1的滞后电压后，Q1才导通，V2相继导通。
5．过放后的掉电状态
当电池电压降到2.4V时，V1截止而禁止放电，掉电控制使定时器及检测电路都关闭，器件耗电仅0.2μA，此时为掉电状态。
6．过放后充电检测（图3）
过放发生后，V1截止。但电路仍可以通过V1内部的二极管VD1实现充电，如图6所示。这时CS端的电压低于地（GND）端电压V\(_{CS}\)比－0.7V还低。P5的反相端输入VCS的负电压比同相端电压－0.3V更低，使P5输出高电平，它起到唤醒控制，结束掉电状态，即定时器及检测电路被“唤醒”而启动，开始充电。
V1及V2的选择
电路设计主要选择V1及V2，其它元件可按图2所注选择。V1、V2可选择Si9940DY一类SO－8封装的双N沟道功率MOSFET。该类器件尺寸小，在一个封装中有两个N沟道功率MOSFET，输出电流大、导通电阻小。如Si9940 DY的主要参数如表2所示。
根据导通电阻及已知的防止过流时V\(_{CS}\)＝0.2V，则可以计算出最大过流电流IT：I\(_{T}\)＝0.2／2RDS（ON）如，R\(_{DS（ON）}\)＝50mΩ，则过放电流IT＝2A。若要求更大的放电电流时则要选择导通电阻更小的功率MOSFET。
编者按：本栏目下一期将详细介绍美国国家半导体公司今年2月推出的最新通用充电控制IC——LM3647，其主要特性如下：
通用：镍镉、镍氢、锂－离子电池均适用；
自动选择充电模式、自动优化充电过程；
可检测电池温度；
单芯片：PCB板小、减少库存、设计简单，综合成本低；
价格低：1千片价格2.84美元／片；
适用于各种便携式电子产品。（方佩敏）