锂电保护器件的关键技术分析

摘 要：近年来消费类电子的市场需求爆发性增长，锂电池成为电子设备的主要供电电源。锂电池由于本身材料特性决定了其不能被过充、过放、过流、短路工作，由此产生了对锂电池进行电压和电流监测保护的锂电保护器件。伴随着更小型化的诸如TWS耳机，智能手表等产品的流行，锂电池的体积更小，应用方案的集成度进一步提高，对锂电池保护器件的体积及功能集成度要求显著提高。针对此，关键的技术在于提高锂电保护器件的芯片功能集成度和小型化封装技术。鉴于此，本文对锂电池保护器件的几种关键技术方案进行分析，以供参考。

关键词：锂电池;锂电保护器件;封装技术

一、锂电保护控制IC和充/放电MOSFET独立封装方案

锂电保护的核心思路是通过控制IC（集成电路）根据设定的电压检测点对充电/放电回路的两个MOSFET（场效应管）进行开启/关闭控制，以达到充电/放电的开启/关闭，维持锂电池电压在一个安全的电压区间。

早期的分立式的锂电保护方案，控制IC和两个MOSFET分别单独封装在一个SOT23-6封装或其他封装形式上，外围辅以若干电阻和电容。IC有四个主要电压监测点：过充电电压保护点>过充恢复点>过放电压保护点>过放恢复点，来控制电池电压在充电或放电的状态下都能保持在安全的电压区间。在电池的安全电压区间内，放电MOSFET和充电MOSFET同时导通，充电/放电自由进行。充电时，当电池电压超过过充电压保护点时，充电MOSFET关闭，充电回路关闭，放电回路由充电MOSFET的寄生二极管续流;去掉充电器，电池由于自放电或连接负载放电使得电压降到过充恢复点时，充电MOSFET重新开启;放电时，当电池电压低于过放电保护点时，放电MOSFET关闭，放电回路关闭，充电回路由放电MOSFET的寄生二极管续流;连接充电器，电池电压回升到过放恢复点时，放电MOSFET重新开启。进一步地，保护IC还可以通过外部管脚检测电压来判断充/放电是否过流来对电池进行过流保护。

分立式的锂电保护方案优势在于IC与MOSFET芯片分别由不同的芯片工艺制造，MOSFET的耐压可以做得比较高，电路的稳定性较好。在独立的SOT23-6封装内，MOSFET由于充/放电电流产生的热量对于外部控制IC的影响较小，电路的可靠性较高。但是整个方案的集成度较低，IC和MOSFET需要两个封装体，对于封装生产的引线框架、内引线、塑封材料的耗费较大。且由于SOT23-6封装的双MOSFET结构的引线框架的第二管脚和第五管脚是共漏极连接的框架基岛，与IC封装的引线框架的各管脚独立是两种不一样的引线框架结构，导致需要两套不同的引线框架生产，生产设备投入大。同时，在客户整机方案应用端，PCBA尺寸受限于多器件占用的空间做不到太小，不适合于超小型便携式设备的小电芯保护方案的选型需求。

二、锂电保护控制IC和充/放电MOSFET合封方案

锂电保护控制IC和充/放电MOSFET合封的方案，在原有的分立式方案上，通过在封装上将保护IC和MOSFET的晶圆片合封在一个SOT23-6封装或其他封装的引线框架上，使得保护IC和MOSFET的电路互联在封装体内实现，外围只需配以若干电阻和电容即可实现整个锂电保护的方案需求。

合封方案需要定制专用引线框架，引线框架的主要特点是双粘片基岛，分别粘片IC和MOSFET，两种芯片的打线互联需要在其中一个芯片的PAD上进行植球，对于焊线的技术要求相对较高。此方案的优势在于将分立式的两个封装器件集成到一个封装器件上，器件的封装材料耗费和生产成本接近降低一倍，整机方案应用处的PCBA面积可以大幅缩小，更加适用于整机空间要求较高的方案应用。但该方案采用双芯互联合封技术，在有限的封装体积内，大芯片面积的MOSFET芯片与粘片基岛面积接近1：1，MOSFET散热能力稍弱，同时由于芯片级的互联采用到了植球技术，对于焊线设备的精度及工艺控制能力都要求较高。

三、芯片级二合一锂电保护方案

芯片级的二合一锂电保护方案是在芯片设计端将保护IC和MOSFET的功能整合到同一个芯片上去，采用IC工艺制造，芯片版图布局上将IC控制部分与MOSFET功率部分进行分区处理。

采用IC工艺内部集成功率管的设计方案非常适合于锂电保护、充电管理、升降压转换等小功率电源管理的应用需求。此种方案的控制IC和内部MOSFET的开关原理同上述分立式方案。该方案的优势在于同时降低了芯片以及封装生产的成本，减小PCBA的板上面积。但功率MOSFET采用IC工艺制造，在保证MOSFET的导通电阻不超规格的前提下，MOSFET的耐压相对较低，比较适于单节锂电池的低压电源管理应用。

此外，采用芯片级的二合一锂电保护方案进一步可以通过双芯并联合封的封装方式，衍生出来大电流的锂电保护方案，达到导通电阻减半，电流能力加倍的效果。比如将两个上述二合一芯片在ESOP-8封装上进行封装内的并联，底部带散热片可以对大电流产生的热量快速导到PCBA上传递出去，非常适于移动电源等大电流锂电保护方案需求。

四、全集成锂电保护方案

全集成锂电保护方案是在芯片级二合一方案上将外围电路的电阻和电容集成到芯片上，进一步达到极简的无需任何外围电路辅助的锂电保护。该方案可以进一步节省锂电保护方案的成本以及整机PCBA的空间可以做到更小，非常适合于超小型穿戴式应用的锂电保护需求，尤其将芯片封装于DFN1*1或DFN2*2封装内，完全可以应用于手机方案的锂电保护应用。

该方案将串联在IC电源端的限流电阻集成到芯片上，防止由于可能存在的锂电池反接导致过流损伤器件;将IC电源端并联的电容集成到芯片上，起到电源滤波稳压作用。但由于硅片上集成电容的方式，电容容量受到限制，导致器件对于可能存在的短路等极端条件下的可靠性会略有降低。

五、专用多合一锂电保护方案

以上所述的锂电保护方案仅仅是针对锂电池电压/电流的保护，在超小型的消费类电子应用领域，往往需要在有限的整机空间内需要提高电路的集成度，减少器件和PCBA的布线冗余，最简化PCBA的布局空间。因此，集合多种功能的锂电保护IC应运而生，目前常见的方案是将供电锂电池电源周边的配套IC整合在一起。如锂电保护、充电管理、升压输出、OVP/OCP等功能集成到一个芯片上，真正实现锂电池管理IC一体化。采用此种方案的应用一般在诸如TWS耳机、移动电源、便携式手持设备等比较细分的消费类电子領域，高度集成化不仅仅完成了锂电池的电源保护，也实现了整机的全部功能需求，降低了整机方案成本。但仅对于锂电保护单一功能来说，采用此种方案器件成本过高，具体到实际应用方案的需求还需针对性的选择适配。

六、结束语

随着锂电池作为越来越多的电子产品的供电电源，锂电池保护器件的需求持续增长，同时为适应更小型化的电子设备的锂电保护需求，锂电保护器件必须从芯片设计和封装工艺上做出改进，以进一步提高锂电保护器件的集成度。

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作者简介：

颜志扬（1992.4.5），男，汉族，广西北流市，大学本科，助理工程师，从事半导体器件封装、测试方向.