分析锂电池充放电保护电路的特点及工作原理

Posted 2022-09-06 bobuddy

锂在元素周期表上位于第3位，因外层电子数为1个，容易失去从而形成稳定结构，故锂是一种非常活泼的金属。由锂元素制成的锂离子电池，具有放电电流大、内阻低、寿命长、无记忆效应等优点，现已被广泛使用。但锂离子电池在使用中严禁过充电、过放电和短路，否则将会引起电池寿命缩短或起火、爆炸等事故，因此可充型锂电池都会连接一块充放电保护电路板（常简称保护板）来保护电芯的安全，如图1所示。

    锂电池的保护功能通常由保护电路板和PTC协同完成，保护板由电子元件组成，在－40℃～＋85℃的环境下时刻准确地监视电芯的电压和充放电回路的电流，并及时控制电流回路的通断；PTC的主要作用是在高温环境下进行保护，防止电池发生燃烧、爆炸等恶性事故。

    ［提示］PTC是英文Positivetemperature coefficient的缩写，意即正温度系数电阻（温度越高，阻值越大）。该元件可起过流保护作用，即防止电池高温放电和不安全的大电流充放电。PTC器件采用高分子材料聚合物，通过严格的工艺制成，由聚合物树醋基体及分布在里面的导电粒子组成。在正常情况下，导电粒子在树醋中构成导电通路，器件表现为低阻抗；当电路中有过流现象发生时，流经PTC的大电流产生的热量使聚合物树醋基体体积膨胀，因而切断导电粒子间的连接，从而对电路起到过流保护作用。当故障解啥后，该元件可自动恢复到初始状态，保证电路正常工作。

    一、锂电池的充放电要求
      1.锂电池的充电
    单节锂电池的最高充电终止电压为4.2V，不能过充，否则会因正极的锂离子丢失太多而使电池报废。对锂电池充电时，应采用专用的恒流、恒压充电器，先恒流充电至锂电池两端电压为4.2V后，转入恒压充电模式；当恒压充电电流降至100mA时，应停止充电。

    充电电流（mA）可为0.1～1.5倍电池容量，例如：1350mAh的锂电池，其充电电流可控制在135mA～2025mA之间。常规充电电流可选择在0.5倍电池容量左右，充电时间约为2～3小时。

    2. 锂电池的放电
    由于锂电池的内部结构原因，放电时锂离子不能全部移向正极，必须保留一部分锂离子在负极，以保证在下次充电时锂离子能够畅通地嵌入通道。否则，电池寿命会缩短。为了保证石墨层中放电后留有部分锂离子，就要严格限制放电终止最低电压，也就是说锂电池不能过放电。单节锂电池的放电终止电压通常为3.0V，最低不能低于2.5V。电池放电时间长短与电池容量、放电电流大小有关。电池放电时间（小时）＝电池容量／放电电流，且锂电池放电电流（mA）不应超过电池容量的3倍，例如：1000mAh的锂电池，则放电电流应严格控制在3A以内，否则会使电池损坏。

    二、保护电路的组成
    保护电路通常由控制IC、MOs开关管、熔断保险丝、电阻、电容等元件组成，如图2所示。正常的情况下，控制IC输出信号控制MOs开关管导通，使电芯与外电路导通，当电芯电压或回路电流超过规定值时，它立即控制MOS管关断，以保护电芯的安全。

    控制IC内置高精度电压检测电路和多级电流检测电路。其中，电压检测电路一是对充电电压进行检测，一旦达到其设定阈值（通常为3.9V～4.4V），立即进入过充电保护状态；二是对放电电压进行检测，一旦达到其设定阈值（通常为2.0V～3.0V ），立即进入过放电保护状态。

    在该电路中，MOS开关管多采用薄型TSSOP -8或SOT23 -6封装形式，其外形如图3所示。这些MOS开关管有的内含一只N沟道场效应管，如FDMC7680，其①～③脚为S极，④脚为G极，⑤～⑧脚为D极，其内部结构如图4所示；有的内含两只N沟道场效应管，如FDW9926A、8205A等，其引脚功能与封装形式有关，如图5所示。



【提示】若控制IC与MOs开关管上有小圆形凹点，则该凹点所对管脚为①脚；若表面没有凹点，则元件型号标注左侧的第一个管脚为①脚，其余引脚按逆时针方向排列。另外，在换用MOS开关管时，需根据实际线路走向判断其内部电路，从而进行正确的代换。

    另外，部分锂电池保护电路中还安装有NTC和ID信号形成元件。NTC是英文Negativetemperature coefficient的缩写，意即负温度系数电阻。该元件在此电路中主要起过热保护作用，即当电池自身或其周边环境温度升高时，NTC元件阻值降低，使用电设备或充电设备及时作出反应，若温度超过一定值时，系统进入保护状态，停止充放电。ID是Identification的缩写，即身份识别的意思，其信息识别的元件分为两种：一是存储器，常为兽线接口存储器，存储电池种类、生产日期等信息；二是识别电阻，这两者均可起到产品的可追溯和应用的限制。

    三、保护电路工作原理分析

    单节锂电池的正常输出电压约为3.7V，可直接作为手机、MP3/MP4及部分小屏幕的平板电脑的电源。对于需要较高电压的电器而言，如移动DVD/EVD或大屏幕平板电脑，这时可用多节锂电池串联得到所需电压，如一款需11.1V供电的平板电脑，则配用电池组件为三块串联的锂电池。单节锂电池与多节串联锂电池的保护电路有所不同，下面分别举例分析。

    1．单节锂电池保护电路
    单节锂电池充放电保护电路的具体组成方案较多，但工作原理相差不大，下面以在手机中用得较多的一种电路为例进行分析，供参考。

    该电路的控制芯片为DW01（或312F） ， MOS开关管为8205A，如图6所示，B＋、B-分别是接电芯的正、负极；P＋、P -分别是保护板输出的正、负极； T为温度电阻（NTC）端口，一般需要与用电器的CPU配合才能进行保护控制。

    DWO1或312F是一款锂电池保护芯片，内置有高精确度的电压检测与时间延迟电路，主要参数如下：过充检测电压为3V，过充释放电压为4.05V；过放检测电压为2.5V，过放释放电压为3.0V ；过流检测电压为5V，短路电流检测电压为1.0V；DW01允许电池输出的最大电流是3.3A。该芯片的引脚功能见表1。

    （1）正常工作
    该保护板的电路如图7所示，当电芯电压在2.5V～4.3V之间时，DW01的①、③脚均输出高电平（等于供电电压），②脚电压为0V。此时8205A内的两只N沟道场效应管Q1、Q2均处于导通状态，由于8205A的导通电阻很小，相当于D、S极间直通，此时电芯的负极与保护电路的P-端相当于直接连通，保护电路有电压输出，其电流回路如下：B＋→P＋→负载。P-→8205A的②、③脚→8205A的①脚→8205A的⑧脚→8205A的⑥、⑦脚→B-。

    【提示】在此电路中，8205A内部场效应管Q1、Q2可等效为两只开关，当Q1或Q2的G极电压大于1V时，开关管导通，D、S间内阻很小（数十毫欧姆），相当于开关闭合；当G极电压小于0.7V时，开关管截止，D、S极间的导通内阻很大（几兆欧姆），相当于开关断开。

（2）过放电保护
    当电芯通过外接的负载进行放电时，电芯两端的电压将慢慢降低，同时DW01内部将通过电阻R1实时监测电芯电压，当电芯电压下降到2.3V（通常称为过放保护电压）时，DWO1认为电芯已处于过放电状态，其①脚电压变为0， 8205A内Q1截止，此时电芯的B-与-之间处于断开状态，即电芯的放电回路被切断，电芯将停止放电。

    进入过放电保护状态后，电芯电压会上升，若能上升到IC的门限电压（一般为3.1V，通常称为过放保护恢复电压），DW0的①脚恢复输出高电平，8205A内的Q1再次导通。
    （3）电池充电
    无论保护电路是否进入过放电状态，只要给保护电路的P＋与P-端间加上充电电压，DW0经B一端检测到充电电压后，便立即从③脚输出高电平，8205A内的Q2导通，即电芯的B-保护电路的P-通，充电器对电芯充电，其电流回路如下：充电器正极→p＋→B＋→B-、8205A的⑥、⑦脚→8205A的⑧脚→8205A的①脚→8205A的②、③脚→P-→充电器负极。
    （4）过充电保护
    充电时，当电池通过充电器正常充电时，随着充电时间的增加，电芯两端的电压将逐渐升高，当电芯电压升高到4.4V（通常称为过充保护电压）时，DW01将判断电芯已处于过充电状态，便立即使③脚电压降为0V， 8205A内的Q2因④脚为低电平而截止，此时电芯的B一极与保护电路的P-端之间处于断开状态并保持，即电芯的充电回路被切断，停止充电。
    当保护电路的P＋与P-端接上放电负载后，虽然Q2截止，但其内部的二极管正方向与放电回路的电流方向相同，所以仍可对负载放电。当电芯两端电压低于4.3V（通常称为过充保护恢复电压）时，DW01将退出过充电保护状态，③脚重新输出高电平，Q2导通，即电芯的B-端与保护电路P-端又重新接上，电芯又能进行正常的充放电。

    （5）过流保护
    由于MOs开关管饱和导通时也存在内阻，所以有电流流过时MOs开关管的D、S极间就会产生压降，保护控制IC会实时检测MOs开关管D、S极的电压，当电压升到IC保护门限值（一般为0.15V，称为放电过流检测电压）时，其放电保护执行端马上输出低电平，放电控制MOs开关管关断，放电回路被断开。

    在图7中，DW01通过接在V-端和VSS端之间的电阻R2实时检测MOs开关管上的压降。当负载电流增大时，Q1或Q2上的压降也必然增大，当该压降达到0.2V时，DWO1便判断负载电流到达了极限值，于是其①脚电压降为0V， 8205A内部的放电控制管Q1关闭，切断电芯的放电回路。实现过电流保护。
（6）过温保护

    保护板上的T端口为过温保护端，与用电器的CPU相连。常见的过温保护电路较简单，就是在T端与P-端接一只NTC电阻（见图7中的R4），该电阻紧贴电芯安装。当用电器长时间处于大功率工作状态时（如手机长时间处于通话状态），电芯温度会上升，则NTC阻值会逐渐下降，用电器的CPU对NTC阻值进行检测，当阻值下降到CPU设定阈值时，CPU立即发出关机指令，让电池停止对其供电，只维持很小的待机电流，从而达到保护电池的目的。

    【提示】当保护板处于保护状态时，可以短接B-、P-端来激活保护板，这时控制芯片的充、放电保护执行端（OC、OD）均会输出高电平，让MOs开关管导通。
    2．多节姐电池保护电路
    锂电池充放电控制芯片UCC3957可对3或4节锂电池组提供过充电、过放电及过流等保护，具体而言：该芯片对电池组内的每一节电池电压进行采样，并与内部的精密基准电压进行比较，当任意一节电池处于过压或欠压状态时，芯片就会进行相应的控制，以防止进一步充电或放电，其典型应用电路如图8所示。图中，Q1、Q2为P沟道MOSFET管，分别控制充电和放电电流。

    （1）电池组的连接
    电池组与IC连接要注意顺序。电池组的底端连接到UCC3957（U1）的AN4端，顶端连接到VDD端，每两节电池的连接点按相应顺序连接到AN1～AN3端。
    当电池组为3节电池时，U1的②脚（CLCNT端）与16脚（DVDD端）相连，同时将⑥脚（AN3端）与⑦脚（AN4端）相连；当电池组为4节电池时，②脚接地（即连到AN4端）。
    （2）放电
    U1具有智能放电功能。放电时，U1的13脚输出低电平，放电开关Q2导通，锂电池组经Q2及Q1内的二极管向负载供电。当负载所需电流较大时，通过电流检测电阻RS两端的压降也较大，当超过15mV（对应0.6A的放电电流）时，则U1的③脚输出低电平，充电开关管Q1导通，从而提高电池组的放电能力。

   （3）欠压保护
    当检测到任一节电池处于过放电时（低于欠压阈值），U1的③脚、13脚输出高电平，同时关断Q1，Q2、U1进入休眠状态，此时芯片的工作电流仅为3.5μA。只有当③脚电压升到VDD时，芯片检测到后才会退出休眠状态。
    （4）充电
    当接入充电器时，开关S1闭合，U1的⑨脚（CHGEN端）与16脚（DVDD）相通，U1的③脚输出低电平，充电开关管Q1导通，电池组充电。
    在充电期间，如果U1处于休眠状态，则放电开关管Q2仍然关断，充电电流经Q2内的二极管对电池组充电。当每节电池的电压均高于欠压ON值时，Q2导通。
    （5）过流保护
    为了适应大的电容负载，UCC3957设有两个过流阈值电压，每一个阈值电压又可以设定不同的延迟时间，即采用二级过流保护模式。这种二级过流保护既可对短路提供快速的响应，又可使电池组承受一定的浪涌电流，以防止因滤波电容容量较大而引起不必要的过流保护动作。
    电流检测电阻RS接在U1的⑦脚（AN4）与⑧脚（BATLO）之间。当RS两端的压降超过某一阈值时，过流保护进入间歇模式。在这一模式下，放电开关管Q2周期性地关断与导通，直到故障排除。一旦故障排除，芯片自动恢复到常规工作状态。

    第一级过流保护阈值为0.15V（对应的输出电流为6A），且持续时间超过U1设定的时间（由U1的⑩脚（CDLY1）和地之间的电容C4设定），则U1进入间歇工作模式，其输出脉冲的占空比约为6%，即开关管的关断时间大约是导通时间的16倍。
    第二级过流阈值为0.375V（对应的输出电流为15A），且持续时间超过U1设定的时间（由U1的14脚（CDLY2）和地之间的电容C3设定），则U1进入间歇工作模式，其输出脉冲的占空比小于1%，即开关管的关断时间大约是导通时间的100倍。
    （6）过压保护
    如果某一节电池的充电电压超过充电阂值，则U1的③脚输出高电平，充电开关管Q1关断，进入过压保护状态。
    另外，如果电池组与U1的④～⑥脚（AN 1 -AN3）的连线断路，则U1也将进入过压保护状态。