Mikroschaltungen zum Schutz von Lithiumakkumulatoren. Vergleichsdaten

Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Referenzmaterialien

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Moderne Lithiumbatterien und wiederaufladbare Batterien zur Stromversorgung von Mobiltelefonen und anderen tragbaren elektronischen Geräten weisen hohe Gewichts- und Größenindikatoren sowie eine hohe Energieintensität auf, reagieren jedoch gleichzeitig sehr empfindlich auf Verstöße gegen die Lade- und Entladebedingungen. Die Folgen solcher, oft unbeabsichtigter, Verstöße können sehr schwerwiegend sein – von einem erheblichen Verlust der Energiekapazität bis hin zum Totalausfall der Batterie. Die vergleichsweisen Kosten von Lithiumbatterien und Batterien sind immer noch hoch.

Dies erfordert den Einbau eines ziemlich komplexen elektronischen Geräts in die Batterien, das den korrekten Betrieb der Batterie überwacht und verhindert, dass sie den maximal zulässigen Modus überschreitet. Im Folgenden werden von ON Semiconductor hergestellte Mikroschaltungen beschrieben, die genau diese Funktionen erfüllen sollen. Einer der NCP802-Serien schützt eine einzelne Lithiumbatterie, und der MC33351A gewährleistet den zuverlässigen Betrieb einer Batterie aus drei solchen Batterien. Die Kenntnis ihrer Funktionen hilft nicht nur bei der korrekten Verwendung von Batterien, sondern auch bei der Wiederherstellung der Funktionalität nach einem unerwarteten „Fehler“, der oft nur mit dem Betrieb des eingebauten Schutzsystems zusammenhängt.

Mikroschaltungen der NCP802-Serie

Sie werden in mehreren Designmodifikationen hergestellt: NCP802SN1T1 – in einem kleinen Kunststoffgehäuse SOT-23-6 (Abb. 1) und NCP802SAN1T1 und NCP802SAN5T1 – in einem noch kleineren Kunststoffgehäuse SON-6 (Abb. 2).

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Wenn der Bezeichnung der Index G hinzugefügt wird, ist die Mikroschaltung umweltfreundlich (enthält kein Blei). Das Gehäuse der NCP802-Mikroschaltungen trägt nur herkömmliche Markierungen – die Buchstaben KN und den Produktionsdatumscode. Der vollständige Name mit allen Indizes ist nur in der Begleitdokumentation angegeben. Die Pinbelegung der Mikroschaltungen ist in der Tabelle dargestellt. 1.

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Ein typisches Diagramm zum Anschließen des Geräts an einen geschützten Lithium-Ionen-Akku ist in Abb. dargestellt. 3.

Der Schaltkreis R2C1 ist der Leistungsfilter für den DA1-Chip. Der Widerstandswert des Widerstands R2 sollte nicht mehr als 1 kOhm betragen, da der Spannungsabfall an ihm die Ansprechschwellen des Schutzgeräts unzulässig erhöhen kann. Die Widerstände R1 und R2 begrenzen den Strom durch den Chip, wenn die Batterie G1 versehentlich an ein Ladegerät angeschlossen wird, das zu viel Spannung entwickelt oder die Polarität vertauscht hat. Um in diesen Situationen die zulässige Verlustleistung der Mikroschaltung nicht zu überschreiten, muss der Gesamtwiderstand dieser Widerstände mindestens 1 kOhm betragen. Wenn jedoch der Widerstandswert des Widerstands R1 mehr als 30 kOhm beträgt, wechselt die Mikroschaltung möglicherweise nicht in den Lademodus, wenn eine Batterie, die auf einen Wert unterhalb des zulässigen Ladegeräts entladen ist, an das Ladegerät angeschlossen wird.

Die Feldeffekttransistoren VT1 und VT2 sind in Reihe mit dem Lade-/Entladekreis der Batterie G1 verbunden. Im Betriebszustand sind beide geöffnet und der Gesamtwiderstand ihrer Kanäle dient als Sensor für den in diesem Stromkreis fließenden Strom. Bei Bedarf können Sie die Stromschutzschwellen senken, indem Sie einen zusätzlichen Widerstand (im Diagramm nicht dargestellt) in Reihe zwischen die Drain-Anschlüsse der Transistoren schalten.

Wenn der Transistor VT1 geschlossen ist, ist eine Entladung der Batterie G1 an eine externe Last nicht möglich. Der Ladestrom kann jedoch ungehindert durch die im Transistor eingebaute Schutzdiode fließen, die in direkter Richtung für diesen Strom geschaltet ist. Ebenso verhindert der geschlossene Transistor VT2 das Laden, sodass die Batterie G1 entladen werden kann. Wenn beide Transistoren geschlossen sind, ist die Batterie vollständig von externen Stromkreisen getrennt.

Überladeschutz

Wenn die Spannung am Vcell-Pin der Mikroschaltung ansteigt, sendet sie bei Überschreiten eines bestimmten Schwellenwerts U1 einen Befehl zum Schließen des Transistors VT2 und stellt über den Widerstand R1, der mit der Source des Transistors VT2 am CO-Pin verbunden ist, einen niedrigen Spannungspegel ein gleich der Spannung am P-Pin.

Der Chip kehrt am CO-Pin in den High-Zustand zurück, nachdem die am Vcell-Pin angelegte Spannung auf einen Wert gesunken ist, der geringfügig unter dem Schwellenwert liegt. Das Verlassen des Zustands mit niedrigem Spannungspegel am CO-Pin erfolgt auch nach dem Anschließen einer Last an die Batterie, wenn der durch ihren Strom verursachte Spannungsabfall an der internen Diode des Transistors VT2 - er liegt am P--Pin - anliegt. den Schwellenwert Uz (siehe unten) erreicht oder überschreitet.

Die Bedingungen dafür, dass der Chip in den Schutzzustand übergeht oder in seinen ursprünglichen Zustand zurückkehrt, müssen lange aufrechterhalten werden, bevor dieser Übergang erfolgt – eine Zeitverzögerung ist vorgesehen.

Überentladungsschutz

Wenn die abnehmende Spannung am Vcell-Pin den eingestellten Schwellenwert U2 überschreitet, erscheint am DO-Pin ein niedriger Spannungspegel, der den Transistor VT1 schließt und eine weitere Entladung der Batterie G1 stoppt. Die Ladefähigkeit bleibt erhalten. Sobald die Spannung am Vcell-Pin den U2-Schwellenwert überschreitet, geht der DO-Pin wieder auf High.

Im Zustand, in dem die Batterieentladung verboten ist, nimmt der von der Mikroschaltung verbrauchte Strom stark ab, da die meisten ihrer internen Komponenten in einen passiven Zustand übergehen. Ein kleiner Spannungsanstieg am P-Pin, verursacht durch den Anschluss der Batterie an das Ladegerät, aktiviert die Mikroschaltung erneut

Zeitdiagramme der Spannung an verschiedenen Anschlüssen der Mikroschaltung und des Stroms im Batteriekreis G1 sind in Abb. dargestellt. 4 und 5. Die erste davon veranschaulicht die Funktionsweise der Batterieschutzeinheit vor Überladung und Überschreitung des zulässigen Ladestroms, die zweite - vor übermäßiger Entladung und Überschreitung des zulässigen Entladestroms.

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Schutz gegen zu hohen Entladestrom und Kurzschluss der Batteriepole

Dieser Knoten arbeitet, wenn beide Transistoren – VT1 und VT2 – offen sind. Sobald der Spannungsabfall an ihnen einen der Schwellenwerte U3 oder U5 überschreitet, geht der DO-Pin auf Low und schaltet den Transistor VT1 aus. Die Verzögerung beim Schließen bei Überschreiten des Entladestroms beträgt ca. 12 ms und beim Schließen der Batteriepole 0,4 ms. Dies ist viel geringer als die Ansprechverzögerung der Tiefentladungsschutzeinheit.

Dadurch wird zuerst die Stromschutzeinheit ausgelöst, die verhindert, dass die Mikroschaltung in den Passivmodus wechselt, zu dessen Verlassen der Akku an das Ladegerät angeschlossen werden muss. Um nach Beseitigung eines Kurzschlusses oder Überstroms in den ursprünglichen Zustand zurückzukehren, reicht eine Entladung aus, sodass der Spannungsabfall am Widerstand Rs innerhalb der Mikroschaltung unter den Schwellenwert sinkt. Dieser Widerstand wird zwischen den Anschlüssen Gnd (Common) und P- angeschlossen, wenn die Stromschutzeinheit ausgelöst wird, und in allen anderen Zuständen von ihnen getrennt.

Schutz vor Überschreitung des zulässigen Ladestroms

Wenn der Ladestrom größer als zulässig ist (z. B. wenn die Batterie an ein „fremdes“ oder defektes Ladegerät angeschlossen ist), liegt die negative Spannung an Pin P- unter der U4-Schwelle. Wenn sich diese Situation innerhalb einer bestimmten Zeit nicht ändert, wird der CO-Pin auf einen niedrigen Pegel gesetzt, wodurch der Feldeffekttransistor VT2 geschlossen und der Ladevorgang gestoppt wird. Um in den ursprünglichen Zustand zurückzukehren, müssen Sie den Akku vom Ladegerät trennen und ihn für eine Weile an die Last anschließen.

Zeitverzögerungsmanagement

Wie oben erwähnt, müssen zum Ändern des Zustands der Mikroschaltung bestimmte Bedingungen während der durch die internen Komponenten der Mikroschaltung festgelegten Zeitintervalle wirksam sein. Bei Bedarf kann die Verzögerung deaktiviert werden, wonach die Mikroschaltung sofort nach Eintreten der entsprechenden Bedingung umschaltet (die Betriebsdauer der Knoten und die Rückkehr in den Betriebsmodus sind nicht geregelt). Verbinden Sie dazu einfach den DS-Pin mit dem Vcell-Pin. Der normale Zustand des DS-Pins ist nicht verbunden. Zwischen ihm und dem Gnd-Pin in der Mikroschaltung befindet sich ein interner Widerstand.

Laden einer stark entladenen Batterie

Wenn die Spannung zwischen den Vcell- und Gnd-Pins der Mikroschaltung mindestens 1,5 V beträgt, liegt ihr CO-Pin auf einem hohen Pegel, der Transistor VT2 ist offen. Dadurch können Sie mit dem Laden eines fast vollständig entladenen Akkus beginnen.

Wichtigste technische Merkmale

• Versorgungsspannung, V ...... 1,5 ... 4,5
• Die minimale Batteriespannung, bei der Sie mit dem Laden beginnen können, V ...... 1,5
• Maximaler Stromverbrauch im aktiven Modus, µA, bei einer Versorgungsspannung von 3,9 V und Nullspannung an Pin P-......6
• typischer Wert......3
• Der höchste Stromverbrauch im passiven Modus, μA, bei einer Versorgungsspannung von 2 V ...... 0,1
• Der höchste Low-Pegel-Spannungswert am CO-Ausgang der Ladetransistorsteuerung, V, bei einer Versorgungsspannung von 4,5 V und einem Ausgangsstromimpuls von 50 μA......0,5
• typischer Wert......0,4
• Der niedrigste High-Pegel-Spannungswert am CO-Ausgang der Ladetransistorsteuerung, V, bei einer Versorgungsspannung von 3,9 V und einem Ausgangsstromimpuls von -50 μA...... 3,4
• typischer Wert......3,7
• Der höchste Low-Pegel-Spannungswert am DO-Ausgang der Entladetransistorsteuerung, V, bei einer Versorgungsspannung von 2 V und einem Ausgangsstromimpuls von 50 μA......0,5
• typischer Wert......0,2
• Der niedrigste High-Pegel-Spannungswert am DO-Ausgang der Entladetransistorsteuerung, V, bei einer Versorgungsspannung von 3,9 V und einem Ausgangsstromimpuls von -50 μA......3,4
• typischer Wert......3,7

Überladungsschutzbaugruppe

• Schwellenbetriebsspannung zwischen den Klemmen Vcell und Gnd, V mit einem Widerstandswert des Widerstands R2 (Abb. 3) von 330 Ohm und einer Umgebungstemperatur von -5...+55 °C für NCP802SN1T1, NCP802SAN1T1 .....4,32. .4,38
• typischer Wert......4,35
• NCP802SAN5T1 . . .4,245...4,305
• typischer Wert .....4,275
• Ansprechschwellenspannung U, V, bei einem Widerstandswert des Widerstands R2 von 330 Ohm und einer Umgebungstemperatur von +25 °C für
• NCP802SN1T1, NCP802SAN1T1 .....4,325...4,375
• typischer Wert......4,35
• NCP802SAN5T1......4,25...4,3
• typischer Wert .....4,275
• Reaktionsverzögerung t31, s, bei steigender Versorgungsspannung (am Vcell-Pin) von 3,6 auf 4,4 V, für NCP802SN1T1, NCP802SAN1T1 ...0,175...0,325
• typischer Wert......0,25
• NCP802SAN5T1......0,7...1,3
• typischer Wert......1
• Verzögerung tB1 Rückkehr in den Betriebsmodus, ms, bei einer Versorgungsspannung von 4 V und einem Anstieg des Spannungsabfalls am Stromsensor R1 von Null auf 1 V......11...21
• typischer Wert......16
• Überladeschutzeinheit
• Schwellenbetriebsspannung U2 (zwischen Pins Vcell und Gnd), V, z
• NCP802SN1T1, NCP802SAN1T1 .....2,34...2,46
• typischer Wert......2,4
• NCP802SAN5T1 .....2,24...2,36
• typischer Wert......2,3
• Reaktionsverzögerung t32, ms, wenn die Versorgungsspannung von 3,6 auf 2,2 V abfällt......14...26
• typischer Wert......20
• Verzögerung tB2 Rückkehr in den Betriebsmodus, ms, bei einer Versorgungsspannung von 3 V und einem Abfall des Spannungsabfalls am Stromsensor von 3 V auf Null .....0,7... 1,7
• typischer Wert......1,2
• Überstromschutzeinheit entladen
• Schwellenspannung U3 am Stromsensor, V, z
• NCP802SN1T1, NCP802SAN1T1 .....0,18...0,22
• typischer Wert......0,2
• NCP802SAN5T1 .....0,08...0,12
• typischer Wert......0,1
• Ansprechverzögerung t33, ms, bei einer Versorgungsspannung von 3 V und einem Anstieg des Spannungsabfalls am Stromsensor von Null auf 1 V für NCP802SN1T1, NCP802SAN1T1......8...16
• typischer Wert......12
• NCP802SAN5T1......4..8
• typischer Wert......6
• Verzögerung tB3 Rückkehr in den Betriebsmodus, ms, bei einer Versorgungsspannung von 3 V und einem Abfall des Spannungsabfalls am Stromsensor von 3 V auf Null .....0,7... 1,7
• typischer Wert......1,2
• Überstromschutzeinheit aufladen
• Schwellenspannung U4 am Stromsensor, V, wenn der Spannungsabfall darüber abnimmt .....-0,13...-0,07
• typischer Wert ...... -0,1
• Ansprechverzögerung t34, ms, bei einer Versorgungsspannung von 3 V und einer Reduzierung des Spannungsabfalls am Stromsensor von Null auf -1 V für NCP802SN1T1, NCP802SAN1T1......11...21
• typischer Wert......16
• NCP802SAN5T1......5... 11
• typischer Wert......8
• Verzögerung bei der Rückkehr von tB4 in den Betriebsmodus, ms, bei einer Versorgungsspannung von 3 V und einem Anstieg des Spannungsabfalls am Stromsensor von -1 V auf Null......0,7...1,7
• typischer Wert......1,2

Schutzknoten gegen Kurzschluss externer Schlussfolgerungen

• Schwellenspannung U5 am Stromsensor, V, bei einer Versorgungsspannung von 3 V. . .Upit - (1,4...1,8)
• typischer Wert ..... Upit - 1,1
• Ansprechverzögerung t35, ms, bei einer Versorgungsspannung von 3 V und einem Anstieg des Spannungsabfalls am Stromsensor von Null auf 3 V. .0,25...0,6 typischer Wert......0,4
• Widerstand zwischen den P- und Gnd-Klemmen nach dem Auslösen der Stromschutzeinheit, kOhm, bei einer Versorgungsspannung von 3,6 V und einem Spannungsabfall am Stromsensor von 1 V......15. ..45
• typischer Wert......30
• Steuerknoten verzögern
• Spannung am DS-Eingang, die Verzögerungen abschneidet, V......Upp+(-0,5...+0,3)
• Spannung am unbeschalteten DS-Eingang, V, bei einer Versorgungsspannung von 3,6 ... 4,4 V ...... 1,05 ... (Upi -1,1)
• Widerstand des internen Widerstands zwischen den Pins DS und Gnd, MΩ......0,5...2,5
• typischer Wert......1,3
• Grenzwerte
• Spannung, V, zwischen den Pins Vcell und Gnd (Versorgungsspannung) sowie zwischen den Pins DS und Gnd, DO und Gnd......-0,3...+12
• Spannung, V, zwischen den Klemmen P- und Gnd, sowie zwischen CO und P-......Upit+(-28...+0,3)
• Maximale Verlustleistung, mW......150
• Arbeitsbereich der Kristalltemperatur, °С......-40...+85
• Lagertemperatur, °С .. .-55...+125

Mit DS-Pin nicht verbunden, sofern nicht anders angegeben.

Zusätzlich zu den oben genannten produziert das gleiche Unternehmen eine Reihe von MC33349N-Mikroschaltungen, die sich von NCP802SN1T1 hauptsächlich nur in den Werten von drei Parametern unterscheiden:

• Ansprechschwellenspannung U1, V (typischer Wert) mit einem Widerstand R2 von 330 Ohm und einer Umgebungstemperatur von +25 °C, für MC33349N-3R1, MC33349N-4R1......4,25
• MC33349N-7R1......4,35
• Schwellenbetriebsspannung U2, V (typischer Wert) ...... 2,5
• Schwellenspannung U3 am Stromsensor, V (typischer Wert), z
• MC33349N-3R1, MC33349N-7R1......0,2
• MC33349N-4R1......0,075

In den Markierungen auf dem Gehäuse dieser Mikroschaltungen gibt es anstelle von KN eine alphanumerische Bezeichnung: A1 – für MC33349N-3R1, A2 – MC33349N-4R1 und AO – MC33349N-7R1.

Die Kapazität des Kondensators C2 gibt der Hersteller nicht an.

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