关于锂电池保护板行业分析.docx

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关于锂电池保护板行业分析

锂电池保护板行业

初步调研报告

二0一一年三月

目录

一、锂电池保护板概述1

（一）用途及工作原理1

1、用途1

2、工作原理1

（二）保护板的构成部件3

1、保护IC3

2、功率MOSFET5

二、国内市场情况7

（一）市场前景7

（二）部分生产企业情况7

一、锂电池保护板概述

（一）用途及工作原理

1、用途

锂电池保护板是用来保护锂电池电芯安全的器件，锂电池具有放电电流大、内阻低、寿命长、无记忆效应等被人们广泛使用，锂离子电池在使用中严禁过充电、过放电、短路，否则将会使电池起火、爆炸等致命缺点，所以，在使用可充锂电池都会带有一块保护板来保护电芯的安全。

2、工作原理

与镍镉、镍氢电池不太一样,锂电池必须考虑充电、放电时的安全性,以防止特性劣化.针对锂电池的过充、过放、过电流及短路保护很重要,所以通常都会在电池包内设计保护线路用以保护锂电池.

离子电池保护电路包括过度充电保护、过电流/短路保护和过放电保护,要求过充电保护高精度、保护IC功耗低、高耐压以及零伏可充电等特性.

锂离子电池的保护电路是由保护IC及两颗功率MOSFET所构成,其中保护IC监视电池电压,当有过度充电及放电状态时切换到以外挂的功率MOSFET来保护电池,保护IC的功能有过度充电保护、过度放电保护和过电流/短路保护.

（1）过度充电保护

过度充电保护IC的原理为:

当外部充电器对锂电池充电时,为防止因温度上升所导致的内压上升,需终止充电状态.此时,保护IC需检测电池电压,当到达4.2V时（假设电池过充点为4.2V）即激活过度充电保护,将功率MOS由开转为关断,进而截止充电.

另外,还必须注意因噪声所产生的过度充电检出误动作,以免判定为过充保护.因此,需要设定延迟时间,并且延迟时间不能短于噪声的持续时间.

如果你的锂电池在充满后，放在充电器上也是白充。

而我们谁都无法保证电池的充放电保护电路的特性永不变化和质量的万无一失，所以你的电池将长期处在危险的边缘徘徊。

这也是我们反对长充电的另一个理由。

（2）过度放电保护

在过度放电的情况下,电解液因分解而导致电池特性劣化,并造成充电次数的降低.采用锂电池保护IC可以避免过度放电现象发生,实现电池保护功能.

过度放电保护IC原理:

为了防止锂电池的过度放电状态,假设锂电池接上负载,当锂电池电压低于其过度放电电压检测点（假定为2.3V）时将激活过度放电保护,使功率MOSFET由开转变为关断而截止放电,以避免电池过度放电现象发生,并将电池保持在低静态电流的待机模式,此时的电流仅0.1uA.

当锂电池接上充电器,且此时锂电池电压高于过度放电电压时,过度放电保护功能方可解除.另外,考虑到脉冲放电的情况,过放电检测电路设有延迟时间以避免发生误动作.

（3）过电流及短路电流

因为不明原因（放电时或正负极遭金属物误触）造成过电流或短路,为确保安全,必须使其立即停止放电.

过电流保护IC原理为,当放电电流过大或短路情况发生时,保护IC将激活过（短路）电流保护,此时过电流的检测是将功率MOSFET的Rds（on）当成感应阻抗用以监测其电压的下降情形,如果比所定的过电流检测电压还高则停止放电,计算公式为:

V-=I×Rds（on）×2（V-为过电流检测电压,I为放电电流）.假设V-=0.2V,Rds（on）=25mΩ,则保护电流的大小为I=4A.

同样地,过电流检测也必须设有延迟时间以防有突发电流流入时发生误动作.

通常在过电流发生后,若能去除过电流因素（例如马上与负载脱离）,将会恢复其正常状态,可以再进行正常的充放电动作.

（4）除了上述的锂电池保护IC功能之外,下面这些新的功能同样值得关注:

充电时的过电流保护

当连接充电器进行充电时突然发生过电流（如充电器损坏）,电路立即进行过电流检测,此时Cout将由高转为低,功率MOSFET由开转为关断,实现保护功能.

V-（Vdet4过电流检测电压,Vdet4为-0.1V）=I（充电电流）×Rds（on）×2

过度充电时的锁定模式

通常保护IC在过度充电保护时将经过一段延迟时间,然后就会将功率MOSFET关断以达到保护的目的,当锂电池电压一直下降到解除点（过度充电滞后电压）时就会恢复,此时又会继续充电-保护-放电-充电-放电.这种状态的安全性问题将无法获得有效解决,锂电池将一直重复着充电-放电-充电-放电的动作,功率MOSFET的栅极将反复地处于高低电压交替状态,这样可能会使MOSFET变热,还会降低电池寿命,因此锁定模式很重要.假如锂电保护电路在检测到过度充电保护时有锁定模式,MOSFET将不会变热,且安全性相对提高很多.

在过度充电保护之后,只要充电器连接在电池包上,此时将进入过充锁定模式.此时,即使锂电池电压下降也不会发生再充电的情形,将充电器移除并连接负载即可恢复充放电的状态.

减小保护电路组件尺寸

将过度充电和短路保护用的延迟电容集成到到保护IC里面,以减小保护电路组件尺寸.

（二）保护板的构成部件

1、保护IC

（1）锂电池的守护神---锂电池保护IC的重要性

近年来,PDA、DSC、CellularPhone、Camcorder、PortableAudio、AdvancedGame、AssistBicycle、ElectricScooter、BluetoothDevice…越来越多的产品急速的采用锂电池来当做它的主要电源,不外乎其:

体积小、能量密度高、无记忆效应、循环寿命高、高电压电池、自放电率低…等优点,也因为与镍镉、镍氢电池不太一样,所以必须考虑充电、放电时之安全,确保特性劣化的防止,但也因为如此,针对锂电池的过充,过放,过电流及短路电流的保护更显得重要,所以通常都会在电池包内设计保护线路用以保护锂电池,由此可见锂电池保护IC的重要性。

锂离子电池因能量密度高，使得难以确保电池的安全性。

具体而言，在过度充电状态下，电池温度上升后能量将过剩，于是电解液分解而产生气体，因内压上升而导致有发火或破裂的危机。

反之，在过度放电状态下，电解液因分解导致电池特性劣化及耐久性劣化（即充电次数降低）。

 锂离子电池的保护电路就是要确保这样的过度充电及放电状态时的安全性，并防止特性的劣化。

（2）对保护IC性能的要求

过度充电保护的高精度化

当锂离子电池有过度充电状态时,为防止因温度上升所导致的内压上升,须截止充电状态.保护IC将检测电池电压,当检测到过度充电时,则过度充电检测的功率MOSFET使之关断而截止充电.此时应注意的是过度充电的检测电压的高精度化,在电池充电时,使电池充电到饱满的状态是使用者很关心的问题,同时兼顾到安全性问题,因此需要在达到容许电压时截止充电状态.要同时符合这两个条件,必须有高精度的检测器,目前检测器的精度为25mV,该精度将有待于进一步提高.

降低保护IC的耗电

随着使用时间的增加,已充过电的锂离子电池电压会逐渐降低,最后低到规格标准值以下,此时就需要再度充电.若未充电而继续使用,可能造成由于过度放电而使电池不能继续使用.为防止过度放电,保护IC必须检测电池电压,一旦达到过度放电检测电压以下,就得使放电一方的功率MOSFET关断而截止放电.但此时电池本身仍有自然放电及保护IC的消耗电流存在,因此需要使保护IC消耗的电流降到最低程度.

过电流/短路保护需有低检测电压及高精度的要求

因不明原因导致短路时必须立即停止放电.过电流的检测是以功率MOSFET的Rds（on）为感应阻抗,以监视其电压的下降,此时的电压若比过电流检测电压还高时即停止放电.为了使功率MOSFET的Rds（on）在充电电流与放电电流时有效应用,需使该阻抗值尽量低,目前该阻抗约为20mΩ~30mΩ,这样过电流检测电压就可较低.

耐高电压

电池包与充电器连接时瞬间会有高压产生,因此保护IC应满足耐高压的要求.

低电池功耗

在保护状态时,其静态耗电流必须要小0.1uA.

零伏可充电

有些电池在存放的过程中可能因为放太久或不正常的原因导致电压低到0V,故保护IC需要在0V时也可以实现充电.

（3）保护IC发展展望

如前所述,未来保护IC将进一步提高检测电压的精度、降低保护IC的耗电流和提高误动作防止功能等,同时充电器连接端子的高耐压也是研发的重点.

在封装方面,目前已由SOT23-6逐渐转向SON6封装,将来还有CSP封装,甚至出现COB产品用以满足现在所强调的轻薄短小要求.

在功能方面,保护IC不需要集成所有的功能,可根据不同的锂电池材料开发出单一保护IC,如只有过充保护或过放保护功能,这样可以大大减少成本及尺寸.

当然,功能组件单晶体化是不变的目标,如目前手机制造商都朝向将保护IC、充电电路以及电源管理IC等外围电路与逻辑IC构成双芯片的芯片组,但目前要使功率MOSFET的开路阻抗降低,难以与其它IC集成,即使以特殊技术制成单芯片,恐怕成本将会过高.因此,保护IC的单晶体化将需一段时间来解决.

2、功率MOSFET

功率MOSFET的种类：

按导电沟道可分为P沟道和N沟道。

按栅极电压幅值可分为；耗尽型；当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道，增强型；对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道，功率MOSFET主要是N沟道增强型。

（1）功率MOSFET的结构

功率MOSFET的内部结构和电气符号如图1所示；其导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，是单极型晶体管。

导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别，小功率MOS管是横向导电器件，功率MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET,大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力。

按垂直导电结构的差异，又分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET），下面以VDMOS器件为例。

功率MOSFET为多元集成结构，如国际整流器公司（InternationalRectifier）的HEXFET采用了六边形单元；西门子公司（Siemens）的SIPMOSFET采用了正方形单元；摩托罗拉公司（Motorola）的TMOS采用了矩形单元按“品”字形排列。

（2）功率MOSFET的工作原理

截止：

漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。

P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。

导电：

在栅源极间加正电压UGS，栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。

但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子-电子吸引到栅极下面的P区表面

 当UGS大于UT（开启电压或阈值电压）时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。

（3）功率MOSFE发展与研发

　　MOSFET漏源之间的电流通过一个沟道（CHANNEL）上的栅（GATE）来控制。

按MOSFET的原意，MOS代表金属（METAL）－氧化物（OXIDE）－半导体（SEMICONDUCTOR），即以金属层（M）的栅极隔着氧化层（O）利用电场的效应来控制半导体（S）。

FET（FIELDEFFECTTRANSISTOR场效应晶体管）的名字也由此而来。

然而我HEXFET中的栅极并不是金属做的，而是用多晶硅（POLY）来做栅极，这也就是图中所注明的硅栅极（SILICONGATE）。

IR在1978年时是用金属做栅极的，1979年的GEN－1HEXFET是世界上第一个采用多晶硅栅极的多原胞型功率MOSFET。

IR功率MOSFET的基本结构中每一个六角形是一个MOSFET的原胞（CELL）。

正因为原胞是六角形的（HEXANGULAR）,因而IR常把它称为HEXFET。

功率MOSFET通常由许多个MOSFET原胞组成。

已风行了十余年的IR第三代（GEN－3）HEXFET每平方厘米约有18万个原胞，目前世界上密度最高的IR第八代（GEN－8）HEXFET每平方厘米已有1740万个原胞。

这就完全可以理解，现代功率半导体器件的精细工艺已和微电子电路相当。

新一代功率器件的制造技术已进入亚微米时代。

作为功率MOSFET来说，有两项参数是最重要的。

一个是RDS（ON）,即通态时的漏源电阻。

另一个是QG，即栅极电荷，实际即栅极电容。

栅极电容细分起来可分成好几个部分，与器件的外特性输入与输出电容也有较复杂的关系。

二、国内市场情况

（一）市场前景

锂电池在使用过程中，过充电、过放电和过电流都会影响电池使用寿命和性能，严重者会导致锂电池燃烧、爆炸，现已出现手机锂电池爆炸致人伤亡的案例，经常出现IT和手机厂家召回锂电池产品的事件。

所以每块锂电池都要安装一块安全保护板，由一块专用IC和若干个外部元件组成，通过保护环路有效监测并防止对电池产生损害，防止过充、过放和短路造成的燃烧、爆炸等危险。

由于每个锂离子电池中都要安装一片电池保护IC，锂电池保护IC市场大得惊人，每年有几十亿美元的市场，市场前景非常广阔。

（二）部分生产企业情况

1、士兰微——“锂电池保护电路芯片”的龙头企业

士兰微是生产“锂电池保护电路芯片”的龙头企业，公司生产的锂电池保护用集成电路，可比日本理光的产品媲美，而价格却低得多，市场潜力大。

士兰微已开发了SA1412型号双节锂电池保护电路、SA45141型号3节或4节锂电池保护电路、SC8261G型号单节锂电池保护电路、SC121型号内置延时电容单节锂电池保护电路、SC8201型号单节锂电池保护电路、SC8821型号内置MOSFET的单节锂电池保护芯片，其中SA1412是锂电池保护用集成电路。

当锂电池处于过放电、过充电以及过电流时，对锂电池起到保护作用。

SC8821是内置MOSFET的单节锂电池保护芯片，为避免锂电池因过充电、过放电、电流过大导致电池寿命缩短或电池被损坏而设计的，SC8821具有高精确度的电压检测与时间延迟功能。

2、海霸能源集团有限公司

海霸集团是专业从事磷酸铁锂电池、汽车电瓶、蓄电池、锂电池研发设计、制造销售、维修保养于一体的专业化生产制造集团公司。

青岛海霸能源集团有限公司研究院研发的磷酸铁锂动力电池保护板是根据我国锂电池发展的方向进行研发的，且通过大量的实验证明，此产品对锂电池的各类保护非常完善，很好的起到了保护的功能。

且在设计该锂电池保护板的过程中，研发人员参阅大量的国内外资料，认真分析国外的大量集成电路，选取适合我国实际情况需要的电子元件，最终经山东海霸通讯设备有限公司研究院科技人员的共同努力，终于研发出该产品。

3、德赛电池股份有限公司

德赛电池目前旗下拥有蓝微电子、德赛聚能、德赛电池等3家控股企业，分别负责不同类型电池、材料、配件和设备的技术开发和销售。

　　其中，公司控股企业蓝微公司所经营的中小型电源管理保护板业务，在国内新能源电池市场上属于龙头位置，并且在德赛电池的所有业务当中占有较大的比重。

4、深圳市艮科科技有限公司

公司是集产品设计、生产、销售、服务于一体的锂电池生产厂家。

公司于2003年成立，车间现有2000平方米，工厂有六条自动流水线,两台SMT贴片机,员工200多人。

日产量5万片以上。

公司拥有专业的电子产品研发、生产能力。

广泛应用于电子数码、蓝牙、手机、MP3、MP4、航模、电动工具、PDA、笔记本电脑、电动自行车、电动摩托车、电动汽车、后备电源、医疗设备、保暖设备、便携式设备、安防设备等领域。

本公司严格遵守国际IS9001质量认证体系动作，产品性能可靠，品质优良，外形精致，深受广大合作伙伴和消费者喜爱。

同时本公司不断加强与业界的领先技术合作，增进技术创新，生产出一系列高质量、功能强及富个性化产品，用以满足广大客户的不断需求。

公司致力于电子产品开发，并获得客户的广泛好评。

公司已通过国际ISO9001-2000国际质量管理体系认证，产品已通过欧盟CE、德国EMC、UL等安全认证，其动力锂电池得到了国家及国外权威机构全面的安全和性能检测。

5、深圳市华龙通科技有限公司

公司是颇具创新精神的保护板的专业制造商，主要致力于手机电池保护板、PCB保护板、MP3、MP4保护板等领域新产品开发、生产、销售的专业制造商。

公司2005年于深圳特区组建，总投资1100万人民帀,厂房面积1150平方米，生产车间为百级无尘车间，现员工总人数80余人，SMT全自动贴片机3台,实际产能230万片/月。

公司已通过ISO9001,1S02000等质量管理体系。

6、深圳市超思维电子有限公司

公司是一家自2001年成立以来一直专业从事各类锂电池保护板的研发、生产、销售于一体的高新技术企业。

目前公司固定资产投入已超过2000万元，厂房面积8000平方米，员工人数300余人，SMT松下高速贴片机（型号CM88）6台，单节保护板生产量每日可达20万片以上，多节保护板日生产量可达5万片以上。

拥有可靠性实验室，主要品质可靠性检测设备有：

1、盐雾试验机，型号：

ZXDR-60，用于金手指/五金抗腐蚀能力检测；2、电磁振动试验机，型号：

SW-F，模拟产品运输焊接等可靠性；3、恒温恒湿机，型号：

XB-80，对产品环境温湿度测试验证；4、影像仪，型号：

YR-CNC，对产品尺寸管控；5、静电发生器，型号：

ESD-202A，产品ESD测试；6、X-Ray，有害物质及金厚检测，及其它检测设备等。

7、浙江佳贝思绿色能源有限公司

公司是一家专业致力于研发及制造LiFeMnPO4（磷酸亚铁锰锂）锂离子动力安全电池组的国家级高新技术企业。

　　公司拥有全球最早使用水性粘结剂代“PVDF”的环保生产工艺和独特的电池成组技术。

目前已成功开发了20AH-400AH近十个规格的产品,申请了数项发明专利和十多项实用新型专利，其中三个规格的产品已通过北京201所的安全认证，所有产品已通过欧盟CE认证并已全面进入欧美高端市场。

　LiFeMnPO4锂动力安全电池组，由多个单体电池、管理保护器、维护器和充电器组成,是替代燃油广泛用于电动自行车、电动摩托车、混合动力汽车、纯电动汽车等绿色交通工具的理想能量系统，也是移动储能、风能，通讯及军事等多种领域的理想电源。

8、苏州埃利特电子科技有限公司

公司成立于2000年,专业从事电子制造相关设备,零部件,辅助材料生产及销售，2004年公司开始涉及锂电池保护板及锂电池相关配套产品的研发、生产与销售。

埃利特始终坚持“以诚信为本”的经营原则，力求建立一个国际性知名企业。

愿与您携手共进，共创辉煌。

锂电池相关的主要产品：

12V磷酸铁锂保护板；24V磷酸铁锂保护板；36V磷酸铁锂保护板；48V磷酸铁锂保护板；高压,大电流磷酸铁锂保护板。

（根据要求定做）专业设计及订做锂铁电池保护板（定做3.3V-73V）,可做到过流\过压\欠压\过温\短路\容量显示\平衡等必要功能,容量可以根据客户需求调整。

9、郑州正方科技有限公司

公司是一家专业从事锂电池组保护管理系统的研发、生产和销售的综合性科技公司。

公司拥有多年工作经验的专业工程技术研发工程师。

公司管理规范、制度严谨，现拥有高质量、最先进的全自动贴片生产设备、高精度的检测设备以及一流的生产线，并已顺利通过了ISO9001的认证.公司依托高校雄厚的人才资源和强大的科研开发实力，成功的构筑了以锂电池保护管理系统,电池组测试设备及氙气灯镇流器为核心的技术基础，形成了以研究、生产、销售和技术服务为一体地发展模式。

 2004年，公司成功开发出动力锂电池智能保护电路，使锂电池在动力拖动领域向更安全、更高效的应用迈出了突破性的一步。

2005年研制开发的“HID氙气大灯电子镇流器”，首次在电子设计上采用了独特的电源管理技术，大大提高了光电转换效能，使HID灯在专业照明领域更进一步地扩大了应用范围。

2006年,公司自主研制开发的电池组系统测试仪设备,使电池组的测试更加自动化和科学化.

10、杭州埃孚一动力电池有限公司

公司是一家专业从事锂动力电池技术研发、生产、销售和服　务的高新技术企业，公司注册于杭州西湖科技园，毗邻浙江大学紫荆港校区。

F1动力凭借其高素质的优秀人才、尖端的技术、良好的合作关系致力于动力电池控制技术的开发服务，在国内率先推出通用性电动车锂电池管理方案、铅酸电池平衡保护方案、电动工具锂电池单片机控制方案。

11、深圳市凌鑫电子有限公司

公司是一家专业从事电子周边产品设计、开发、生产、销售于一体的股份制高科技企业。

公司致力于向全球用户提供质优价廉的电子品，倡导节能环保的生活理念，在历经十年的高速发展中,始终坚持以客户需求为导向，以“质量求生存，信誉求发展，顾客为上帝”的经营方针,产品覆盖:

数码相框、广告机、DVD、电动车、手机、新能源汽车等系列电池及保护板，涵盖家用电器，消费类电子，新能源等产业链，公司一直注重先进的生产工艺及检测设备，资深的工程技术力量以致力于对技术的不断创新和研究，建立了严格的质量管控体系，秉承为客户提供优质高性能的产品，在同行业中赢得了良好的口碑。

经过十年的不懈努力，公司发扬励精图治，艰苦创业的精神,使企业在同行业中处于领先地位，完成了以来料加工到研发生产成品为主的转型，公司本着以人为本、科技领先、客户第一的原则，提供高性价比的产品和完善的售后服务为宗旨，使我们的产品远销欧美等世界多个国家和地区。

12、深圳市恒创兴电子科技有限公司

公司是一家专业从事锂离子电池保护板、手机电池保护板、笔记本电池保护板、动力电池保护板、数码相机保护板等（PCB.FPC）的研发、生产和销售为一体的综合性公司。

公司创办以来，注重人才队伍的引进、技术培训和管理，为确保产品质量提供了可靠的保证。

公司聘请有多年工作经验的多名专业工程技术研发人员、管理、品控、和生产技术人员。

公司现拥有高质量、先进的生产设备、高精度的检测设备、高速SMT贴片机以及一流的生产线，具有极强的生产能力和规模，日产量为12万PCS．公司从原材料采购、设计、开发、生产等过程均采用ISO9000质量体系进行管理，全面执行“质量和HSF方针”，协助客户强势进入竞争激烈的环保市场。