摘 要：近年來消費類電子的市場需求爆發(fā)性增長，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充、過放、過流、短路工作，由此產(chǎn)生了對鋰電池進行電壓和電流監(jiān)測保護的鋰電保護器件。伴隨著更小型化的諸如TWS耳機，智能手表等產(chǎn)品的流行，鋰電池的體積更小，應(yīng)用方案的集成度進一步提高，對鋰電池保護器件的體積及功能集成度要求顯著提高。針對此，關(guān)鍵的技術(shù)在于提高鋰電保護器件的芯片功能集成度和小型化封裝技術(shù)。鑒于此，本文對鋰電池保護器件的幾種關(guān)鍵技術(shù)方案進行分析，以供參考。

關(guān)鍵詞：鋰電池;鋰電保護器件;封裝技術(shù)

一、鋰電保護控制IC和充/放電MOSFET獨立封裝方案

鋰電保護的核心思路是通過控制IC（集成電路）根據(jù)設(shè)定的電壓檢測點對充電/放電回路的兩個MOSFET（場效應(yīng)管）進行開啟/關(guān)閉控制，以達到充電/放電的開啟/關(guān)閉，維持鋰電池電壓在一個安全的電壓區(qū)間。

早期的分立式的鋰電保護方案，控制IC和兩個MOSFET分別單獨封裝在一個SOT23-6封裝或其他封裝形式上，外圍輔以若干電阻和電容。IC有四個主要電壓監(jiān)測點：過充電電壓保護點>過充恢復(fù)點>過放電壓保護點>過放恢復(fù)點，來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同時導(dǎo)通，充電/放電自由進行。充電時，當(dāng)電池電壓超過過充電壓保護點時，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載放電使得電壓降到過充恢復(fù)點時，充電MOSFET重新開啟;放電時，當(dāng)電池電壓低于過放電保護點時，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，電池電壓回升到過放恢復(fù)點時，放電MOSFET重新開啟。進一步地，保護IC還可以通過外部管腳檢測電壓來判斷充/放電是否過流來對電池進行過流保護。

分立式的鋰電保護方案優(yōu)勢在于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。在獨立的SOT23-6封裝內(nèi)，MOSFET由于充/放電電流產(chǎn)生的熱量對于外部控制IC的影響較小，電路的可靠性較高。但是整個方案的集成度較低，IC和MOSFET需要兩個封裝體，對于封裝生產(chǎn)的引線框架、內(nèi)引線、塑封材料的耗費較大。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，在客戶整機方案應(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)備的小電芯保護方案的選型需求。

二、鋰電保護控制IC和充/放電MOSFET合封方案

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

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)需要在其中一個芯片的PAD上進行植球，對于焊線的技術(shù)要求相對較高。此方案的優(yōu)勢在于將分立式的兩個封裝器件集成到一個封裝器件上，器件的封裝材料耗費和生產(chǎn)成本接近降低一倍，整機方案應(yīng)用處的PCBA面積可以大幅縮小，更加適用于整機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，同時由于芯片級的互聯(lián)采用到了植球技術(shù)，對于焊線設(shè)備的精度及工藝控制能力都要求較高。

三、芯片級二合一鋰電保護方案

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

采用IC工藝內(nèi)部集成功率管的設(shè)計方案非常適合于鋰電保護、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)勢在于同時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，采用芯片級的二合一鋰電保護方案進一步可以通過雙芯并聯(lián)合封的封裝方式，衍生出來大電流的鋰電保護方案，達到導(dǎo)通電阻減半，電流能力加倍的效果。比如將兩個上述二合一芯片在ESOP-8封裝上進行封裝內(nèi)的并聯(lián)，底部帶散熱片可以對大電流產(chǎn)生的熱量快速導(dǎo)到PCBA上傳遞出去，非常適于移動電源等大電流鋰電保護方案需求。

四、全集成鋰電保護方案

全集成鋰電保護方案是在芯片級二合一方案上將外圍電路的電阻和電容集成到芯片上，進一步達到極簡的無需任何外圍電路輔助的鋰電保護。該方案可以進一步節(jié)省鋰電保護方案的成本以及整機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)用于手機方案的鋰電保護應(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)致器件對于可能存在的短路等極端條件下的可靠性會略有降低。

五、專用多合一鋰電保護方案

以上所述的鋰電保護方案僅僅是針對鋰電池電壓/電流的保護，在超小型的消費類電子應(yīng)用領(lǐng)域，往往需要在有限的整機空間內(nèi)需要提高電路的集成度，減少器件和PCBA的布線冗余，最簡化PCBA的布局空間。因此，集合多種功能的鋰電保護IC應(yīng)運而生，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、充電管理、升壓輸出、OVP/OCP等功能集成到一個芯片上，真正實現(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、移動電源、便攜式手持設(shè)備等比較細分的消費類電子領(lǐng)域，高度集成化不僅僅完成了鋰電池的電源保護，也實現(xiàn)了整機的全部功能需求，降低了整機方案成本。但僅對于鋰電保護單一功能來說，采用此種方案器件成本過高，具體到實際應(yīng)用方案的需求還需針對性的選擇適配。

六、結(jié)束語

隨著鋰電池作為越來越多的電子產(chǎn)品的供電電源，鋰電池保護器件的需求持續(xù)增長，同時為適應(yīng)更小型化的電子設(shè)備的鋰電保護需求，鋰電保護器件必須從芯片設(shè)計和封裝工藝上做出改進，以進一步提高鋰電保護器件的集成度。

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作者簡介：

顏志揚（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、測試方向.