鋰電保護(hù)器件的關(guān)鍵技術(shù)分析

摘 要：近年來(lái)消費(fèi)類電子的市場(chǎng)需求爆發(fā)性增長(zhǎng)，鋰電池成為電子設(shè)備的主要供電電源。鋰電池由于本身材料特性決定了其不能被過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流、短路工作，由此產(chǎn)生了對(duì)鋰電池進(jìn)行電壓和電流監(jiān)測(cè)保護(hù)的鋰電保護(hù)器件。伴隨著更小型化的諸如TWS耳機(jī)，智能手表等產(chǎn)品的流行，鋰電池的體積更小，應(yīng)用方案的集成度進(jìn)一步提高，對(duì)鋰電池保護(hù)器件的體積及功能集成度要求顯著提高。針對(duì)此，關(guān)鍵的技術(shù)在于提高鋰電保護(hù)器件的芯片功能集成度和小型化封裝技術(shù)。鑒于此，本文對(duì)鋰電池保護(hù)器件的幾種關(guān)鍵技術(shù)方案進(jìn)行分析，以供參考。

關(guān)鍵詞：鋰電池;鋰電保護(hù)器件;封裝技術(shù)

一、鋰電保護(hù)控制IC和充/放電MOSFET獨(dú)立封裝方案

鋰電保護(hù)的核心思路是通過(guò)控制IC（集成電路）根據(jù)設(shè)定的電壓檢測(cè)點(diǎn)對(duì)充電/放電回路的兩個(gè)MOSFET（場(chǎng)效應(yīng)管）進(jìn)行開啟/關(guān)閉控制，以達(dá)到充電/放電的開啟/關(guān)閉，維持鋰電池電壓在一個(gè)安全的電壓區(qū)間。

早期的分立式的鋰電保護(hù)方案，控制IC和兩個(gè)MOSFET分別單獨(dú)封裝在一個(gè)SOT23-6封裝或其他封裝形式上，外圍輔以若干電阻和電容。IC有四個(gè)主要電壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)：過(guò)充電電壓保護(hù)點(diǎn)>過(guò)充恢復(fù)點(diǎn)>過(guò)放電壓保護(hù)點(diǎn)>過(guò)放恢復(fù)點(diǎn)，來(lái)控制電池電壓在充電或放電的狀態(tài)下都能保持在安全的電壓區(qū)間。在電池的安全電壓區(qū)間內(nèi)，放電MOSFET和充電MOSFET同時(shí)導(dǎo)通，充電/放電自由進(jìn)行。充電時(shí)，當(dāng)電池電壓超過(guò)過(guò)充電壓保護(hù)點(diǎn)時(shí)，充電MOSFET關(guān)閉，充電回路關(guān)閉，放電回路由充電MOSFET的寄生二極管續(xù)流;去掉充電器，電池由于自放電或連接負(fù)載放電使得電壓降到過(guò)充恢復(fù)點(diǎn)時(shí)，充電MOSFET重新開啟;放電時(shí)，當(dāng)電池電壓低于過(guò)放電保護(hù)點(diǎn)時(shí)，放電MOSFET關(guān)閉，放電回路關(guān)閉，充電回路由放電MOSFET的寄生二極管續(xù)流;連接充電器，電池電壓回升到過(guò)放恢復(fù)點(diǎn)時(shí)，放電MOSFET重新開啟。進(jìn)一步地，保護(hù)IC還可以通過(guò)外部管腳檢測(cè)電壓來(lái)判斷充/放電是否過(guò)流來(lái)對(duì)電池進(jìn)行過(guò)流保護(hù)。

分立式的鋰電保護(hù)方案優(yōu)勢(shì)在于IC與MOSFET芯片分別由不同的芯片工藝制造，MOSFET的耐壓可以做得比較高，電路的穩(wěn)定性較好。在獨(dú)立的SOT23-6封裝內(nèi)，MOSFET由于充/放電電流產(chǎn)生的熱量對(duì)于外部控制IC的影響較小，電路的可靠性較高。但是整個(gè)方案的集成度較低，IC和MOSFET需要兩個(gè)封裝體，對(duì)于封裝生產(chǎn)的引線框架、內(nèi)引線、塑封材料的耗費(fèi)較大。且由于SOT23-6封裝的雙MOSFET結(jié)構(gòu)的引線框架的第二管腳和第五管腳是共漏極連接的框架基島，與IC封裝的引線框架的各管腳獨(dú)立是兩種不一樣的引線框架結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致需要兩套不同的引線框架生產(chǎn)，生產(chǎn)設(shè)備投入大。同時(shí)，在客戶整機(jī)方案應(yīng)用端，PCBA尺寸受限于多器件占用的空間做不到太小，不適合于超小型便攜式設(shè)備的小電芯保護(hù)方案的選型需求。

二、鋰電保護(hù)控制IC和充/放電MOSFET合封方案

鋰電保護(hù)控制IC和充/放電MOSFET合封的方案，在原有的分立式方案上，通過(guò)在封裝上將保護(hù)IC和MOSFET的晶圓片合封在一個(gè)SOT23-6封裝或其他封裝的引線框架上，使得保護(hù)IC和MOSFET的電路互聯(lián)在封裝體內(nèi)實(shí)現(xiàn)，外圍只需配以若干電阻和電容即可實(shí)現(xiàn)整個(gè)鋰電保護(hù)的方案需求。

合封方案需要定制專用引線框架，引線框架的主要特點(diǎn)是雙粘片基島，分別粘片IC和MOSFET，兩種芯片的打線互聯(lián)需要在其中一個(gè)芯片的PAD上進(jìn)行植球，對(duì)于焊線的技術(shù)要求相對(duì)較高。此方案的優(yōu)勢(shì)在于將分立式的兩個(gè)封裝器件集成到一個(gè)封裝器件上，器件的封裝材料耗費(fèi)和生產(chǎn)成本接近降低一倍，整機(jī)方案應(yīng)用處的PCBA面積可以大幅縮小，更加適用于整機(jī)空間要求較高的方案應(yīng)用。但該方案采用雙芯互聯(lián)合封技術(shù)，在有限的封裝體積內(nèi)，大芯片面積的MOSFET芯片與粘片基島面積接近1：1，MOSFET散熱能力稍弱，同時(shí)由于芯片級(jí)的互聯(lián)采用到了植球技術(shù)，對(duì)于焊線設(shè)備的精度及工藝控制能力都要求較高。

三、芯片級(jí)二合一鋰電保護(hù)方案

芯片級(jí)的二合一鋰電保護(hù)方案是在芯片設(shè)計(jì)端將保護(hù)IC和MOSFET的功能整合到同一個(gè)芯片上去，采用IC工藝制造，芯片版圖布局上將IC控制部分與MOSFET功率部分進(jìn)行分區(qū)處理。

采用IC工藝內(nèi)部集成功率管的設(shè)計(jì)方案非常適合于鋰電保護(hù)、充電管理、升降壓轉(zhuǎn)換等小功率電源管理的應(yīng)用需求。此種方案的控制IC和內(nèi)部MOSFET的開關(guān)原理同上述分立式方案。該方案的優(yōu)勢(shì)在于同時(shí)降低了芯片以及封裝生產(chǎn)的成本，減小PCBA的板上面積。但功率MOSFET采用IC工藝制造，在保證MOSFET的導(dǎo)通電阻不超規(guī)格的前提下，MOSFET的耐壓相對(duì)較低，比較適于單節(jié)鋰電池的低壓電源管理應(yīng)用。

此外，采用芯片級(jí)的二合一鋰電保護(hù)方案進(jìn)一步可以通過(guò)雙芯并聯(lián)合封的封裝方式，衍生出來(lái)大電流的鋰電保護(hù)方案，達(dá)到導(dǎo)通電阻減半，電流能力加倍的效果。比如將兩個(gè)上述二合一芯片在ESOP-8封裝上進(jìn)行封裝內(nèi)的并聯(lián)，底部帶散熱片可以對(duì)大電流產(chǎn)生的熱量快速導(dǎo)到PCBA上傳遞出去，非常適于移動(dòng)電源等大電流鋰電保護(hù)方案需求。

四、全集成鋰電保護(hù)方案

全集成鋰電保護(hù)方案是在芯片級(jí)二合一方案上將外圍電路的電阻和電容集成到芯片上，進(jìn)一步達(dá)到極簡(jiǎn)的無(wú)需任何外圍電路輔助的鋰電保護(hù)。該方案可以進(jìn)一步節(jié)省鋰電保護(hù)方案的成本以及整機(jī)PCBA的空間可以做到更小，非常適合于超小型穿戴式應(yīng)用的鋰電保護(hù)需求，尤其將芯片封裝于DFN1*1或DFN2*2封裝內(nèi)，完全可以應(yīng)用于手機(jī)方案的鋰電保護(hù)應(yīng)用。

該方案將串聯(lián)在IC電源端的限流電阻集成到芯片上，防止由于可能存在的鋰電池反接導(dǎo)致過(guò)流損傷器件;將IC電源端并聯(lián)的電容集成到芯片上，起到電源濾波穩(wěn)壓作用。但由于硅片上集成電容的方式，電容容量受到限制，導(dǎo)致器件對(duì)于可能存在的短路等極端條件下的可靠性會(huì)略有降低。

五、專用多合一鋰電保護(hù)方案

以上所述的鋰電保護(hù)方案僅僅是針對(duì)鋰電池電壓/電流的保護(hù)，在超小型的消費(fèi)類電子應(yīng)用領(lǐng)域，往往需要在有限的整機(jī)空間內(nèi)需要提高電路的集成度，減少器件和PCBA的布線冗余，最簡(jiǎn)化PCBA的布局空間。因此，集合多種功能的鋰電保護(hù)IC應(yīng)運(yùn)而生，目前常見的方案是將供電鋰電池電源周邊的配套IC整合在一起。如鋰電保護(hù)、充電管理、升壓輸出、OVP/OCP等功能集成到一個(gè)芯片上，真正實(shí)現(xiàn)鋰電池管理IC一體化。采用此種方案的應(yīng)用一般在諸如TWS耳機(jī)、移動(dòng)電源、便攜式手持設(shè)備等比較細(xì)分的消費(fèi)類電子領(lǐng)域，高度集成化不僅僅完成了鋰電池的電源保護(hù)，也實(shí)現(xiàn)了整機(jī)的全部功能需求，降低了整機(jī)方案成本。但僅對(duì)于鋰電保護(hù)單一功能來(lái)說(shuō)，采用此種方案器件成本過(guò)高，具體到實(shí)際應(yīng)用方案的需求還需針對(duì)性的選擇適配。

六、結(jié)束語(yǔ)

隨著鋰電池作為越來(lái)越多的電子產(chǎn)品的供電電源，鋰電池保護(hù)器件的需求持續(xù)增長(zhǎng)，同時(shí)為適應(yīng)更小型化的電子設(shè)備的鋰電保護(hù)需求，鋰電保護(hù)器件必須從芯片設(shè)計(jì)和封裝工藝上做出改進(jìn)，以進(jìn)一步提高鋰電保護(hù)器件的集成度。

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作者簡(jiǎn)介：

顏志揚(yáng)（1992.4.5），男，漢族，廣西北流市，大學(xué)本科，助理工程師，從事半導(dǎo)體器件封裝、測(cè)試方向.