主/被動保護元件兼備　鋰電池充放電安全更添保障

另一方面，消費者對消費性電子產品超長待機時間的渴望，使得鋰離子電池的業者須不斷提升充電電壓或使用不成熟的電極材料，以獲得更高的電池容量和能量密度，但這也降低鋰離子電池的安全應用門檻，這些發展趨勢都對鋰離子電池電路保護的可靠性有更高的要求。

慎防主動保護元件失效　被動保護元件把關電池安全

圖1　典型的鋰離子電池保護電路

怎樣才能使鋰離子電池的保護更可靠呢？典型的鋰離子電池保護電路如圖1所示，其核心是構成一級防護的IC加金屬氧化半導體場效電晶體(MOSFET)主動保護方案，以及二級防護的高分子聚合物正係數溫度元件(Polymeric Positive Temperature Coefficent, PPTC)。

做為一級防護的主動保護方案，透過檢測電池電壓、電流及溫度，實現對鋰離子電池的常規保護，但是IC和MOSFET存在固有的失效機率，同時考慮生產裝配過程中的損壞風險和客戶濫用，主動方案在鋰離子電池使用過程中，有可能會部分或全部喪失功能，導致鋰離子電池起火爆炸，帶來人身及財產損失的嚴重後果。

鋰離子電池的市場出貨量極大，主動保護方案失效的風險不可低估，身為二級保護元件的PPTC，不依賴主動元件的訊號控制，可自動感測電池本身傳遞出的危險訊號，如過電流或過溫等，及時切斷電路，避免鋰離子電池的熱失控。這種包含PPTC二級防護的典型鋰離子電池保護方案已成功地應用在手機、筆記型電腦等各類可攜式電子設備的電源上，同時也被市場和實際應用證明是最為有效的鋰離子電池保護方案。

然而，由於現在鋰離子電池保護板空間逐漸縮小，再加上IC整合度提高和成本壓力，通常工程師會認為主動保護已經夠即時，也夠強大，所以部分設計工程師考慮要將二級防護取消或者採用雙IC保護方案，但這種做法是否可行呢？

主動防護難取代被動保護元件

上述內容已簡單介紹PPTC二級保護元件對電池保護方案的重要意義，但是要回答這個問題，則須全面比較主動和被動保護方案的優缺點，本文僅先從電子產業的一種常見危害形式：靜電放電(ESD)效應來探討被動保護元件的重要性。

靜電在日常生活中是很容易產生的，人體摩擦感應的靜電甚至可達到15kV以上，如表1所示。靜電及其放電可經由力學效應、熱效應、強電場效應等對元件帶來破壞或損傷，既可能是永久性的(如功能喪失，不能恢復)，也可能是暫時性的(如靜電放電產生的干擾使功能暫時地喪失)；既可能是突發失效，也可能是潛在失效，具有極強的隱蔽性、潛在性、隨機性及複雜性。

圖2　IC失效原因統計

做為鋰離子電池一級保護的IC和MOSFET是靜電危害的重災區，據統計IC失效中，59%是由於ESD導致(圖2)，而靜電放電造成的損傷80%都是潛在性的。圖3是ESD對IC和MOSFET的破壞和損傷；鋰離子電池保護電路一旦遭受到靜電放電的影響，便極有可能使其保護功能失效或成為隱藏的危險。

圖3　(a)ESD損壞IC，(b) ESD損傷MOSFET

一旦IC和MOSFET的功能喪失或可靠性降低，鋰離子在充電和使用過程中就極有可能由於過充電、短路及過放電等因素，導致燃燒或爆炸，此時被動保護元件如PPTC、MHP-TA(MHP with Thermal Activation)等的作用將極其重要。

單單是靜電就可為主動保護方案帶來如此大的隱藏危險，那麼分布在生產、運輸、裝配、使用等過程中的種種因素和損壞風險，結果又會怎樣？由此可見，取消被動保護元件或以主動方案取代被動保護元件的設計都是不可取的，會大幅降低鋰離子電池保護的可靠性。

確保鋰離子電池安全　主/被動保護元件缺一不可

從整個電池系統來看，除IC+ MOSFET和二級保護元件外，鋰離子電池芯本身也要有一定程度的安全性能。保護電路、被動保護元件、電池芯三者一起構成安全的鋰離子電池系統，任何一級保護的缺失或弱化都會使整個鋰離子電池系統的失效風險增大。

就系統可靠性的角度而言，可靠的鋰離子電池保護方案，不能刪減互為補充的各級保護元件，單一保護方案恐將帶來慘痛的教訓，因此全面的安全保護不僅不能取消PPTC/MHP-TA等過流、過溫保護元件，還須在介面中增加ESD防護元件，以防止靜電損壞IC和MOSFET，最大限度地提升鋰離子電池保護方案的可靠性。

現階段，PPTC、MHP-TA等產品已廣泛應用在鋰離子電池保護電路中，而高分子聚合物ESD(PESD)和矽基ESD(SESD)靜電防護元件則是很好的靜電防護選擇，也已大量應用在電子設備的靜電保護方案中。

憑藉對被動元件深厚的研發能力、生產能力及對電池產業的深刻理解，電子零組件解決方案開發商已可提供全方位、可靠的鋰離子電池充放電安全保護解決方案，滿足鋰離子電池市場持續增長的需求。

(本文作者任職於TE)