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小封装、微功耗小微电池保护器SGM41100A
2021-06-07

关键词:小微电池保护;尺寸小;功耗低

2016年秋季,Apple公司发布iPhone 7,宣布取消3.5mm耳机接口,并同步推出无线耳机AirPods。此举措引爆了无线蓝牙耳机和真无线蓝牙耳机(TWS)市场。要为小巧的TWS耳机实现更长的待机和通话时间,需要降低功耗和增加电池容量(尺寸)。圣邦微电子SGM41100A系列小封装、微功耗小微电池保护器应运而生。

电池保护控制器+MOSFET开关单芯二合一

SGM41100A系列产品是圣邦微电子在业内最早获得市场广泛认可的结合了保护控制器和MOSFET开关单芯两种功能的小微电池保护芯片。相比于早期的分立控制器和MOSFET开关电池保护方案,SGM41100A具备尺寸极小的绝对优势,大大减小了电池保护板面积,提升了电池有效容量的体积空间。

SGM41100A与传统方案体积对比:

  1. SGM41100A:尺寸1.5mm × 2mm = 3mm2,外围1C+1R两个元件。

  2. 分立器件DW01+MOSFET:尺寸3mm × 3mm + 3mm × 3mm = 18mm2,外围1C+2R三个元件。

  3. 多芯片封装(Multichip Packaging)方案DW01MCG:尺寸2.1mm × 5.8mm = 12.18mm2,外围1C+2R三个元件。


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图1 SGM41100A与传统方案实物尺寸对比

 

电池断开状态下最大功耗100nA

SGM41100A具备三种工作状态:电池接通、电池欠压保护断开和充放电压电流异常保护断开。在结温-40℃至+85℃的全温度范围内,开关接通状态下的自身功耗最大值仅1.5μA(典型值0.9μA),断开状态下的功耗最大值仅100nA。

相较于分立和多芯封装产品5μA至6μA的工作电流和1μA至2μA的欠压保护状态电流损耗,SGM41100A更加适合TWS耳机、智能手环等小微电池可移动设备。设备出口船运及售前仓储时间通常可达3~6个月,此时其断开状态的超低耗电则更显难能可贵。


SGM41100A主要特性

  • 极小紧凑型SoC电池保护方案;

  • 42mΩ导通阻抗;

  • 0.9μA(典型值)工作电流;

  • 完整的充电过压、充电过流、放电过流、过放欠压保护功能;

  • 4.2V至4.55V(50mV步进)过压保护门限可选;

  • 3种适合小微电池的过流保护门限可选;

  • 2.4V/2.6V/2.8V/3.0V电池欠压保护门限可选;

  • 1.6V深度放电关断功能;

  • 50nA电池欠压及深度放电关断电流;

  • 抗输入反接、抗电池反接;

  • 0.2V电池安全可充电门限;

  • 输出默认关闭,有利于组装和运输安全;

  • 工作温度范围-40℃至+85℃;

  • UTDFN-1.5×2-6L绿色封装。

 

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图2 SGM41100A封装图

 

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图3 SGM41100A典型应用电路图

 

SGM41100A具有完整的充电过压保护、充电过流保护、放电过流保护及过放欠压保护功能;有8个过压保护阈值、4个欠压保护阈值和3个过流保护阈值(过充电流、过放电流、短路电流组合)选项,可产生共计8×4×3=96种参数组合供客户针对不同规格的电池自由选择。


表1 器件阈值选型

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一些分享

1.     关于0V可充电的危险性

电池化成过程需要严格的充电电压、充电电流及充电时长控制,以便安全可靠地形成电池SEI膜。一般认为电池SEI膜在0.2V时已经大量形成,并在0.8V时充分形成(各厂家电池存在差异)。如果电池电压过放后电压达到0V,往往意味着SEI膜消失或内部短路,此时如果继续充电会非常危险。如图4所示,VARTA公司在其电池操作注意事项中明确指出:

单个电池电压低于其规定的耗尽电压阈值后不得充电!

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图4 VARTA电池操作注意事项

 

2.     电池是静电敏感器件,应做好ESD防护

下图为一个典型的电池电极之间异物尺寸和击穿电压的对应关系。由图可见,电池本身是静电敏感器件,击穿电压最高可达500V,在隔膜受异物影响后的击穿电压急剧降低。

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图5 电池电极之间异物尺寸和击穿电压对应关系


3.     小微电池应选择适当过流保护门限的保护器件

TWS耳机电池容量多数处在30mAh至60mAh之间,假如按照电池允许的快充上限5倍率来计算,快充电流可以达到150mA至300mA之间,此时选择的过充电流保护门限只需要略大一点,如6倍率,即180mA至360mA就足够了。如果此时选择一个900mA(30/15倍率)或更大的过充电流保护门限器件,则很难起到保护电池的作用。同样,过放电电流、短路保护电流,也应根据电池规格选择有适当保护电流门限的器件。