分析鋰電池充放電保護電路的特點及工作原理

鋰在元素週期表上位於第3位，因外層電子數為1個，容易失去從而形成穩定結構，故鋰是一種非常活潑的金屬。由鋰元素製成的鋰離子電池，具有放電電流大、內阻低、壽命長、無記憶效應等優點，現已被廣泛使用。但鋰離子電池在使用中嚴禁過充電、過放電和短路，否則將會引起電池壽命縮短或起火、爆炸等事故，因此可充型鋰電池都會連接一塊充放電保護電路板（常簡稱保護板）來保護電芯的安全，如圖1所示。 鋰電池的保護功能通常由保護電路板和PTC協同完成，保護板由電子元件組成，在－40℃～＋85℃的環境下時刻準確地監視電芯的電壓和充放電迴路的電流，並及時控制電流回路的通斷；PTC的主要作用是在高溫環境下進行保護，防止電池發生燃燒、爆炸等惡性事故。 ［提示］PTC是英文Positivetemperature coefficient的縮寫，意即正溫度係數電阻（溫度越高，阻值越大）。該元件可起過流保護作用，即防止電池高溫放電和不安全的大電流充放電。PTC器件採用高分子材料聚合物，通過嚴格的工藝製成，由聚合物樹醋基體及分佈在裡面的導電粒子組成。在正常情況下，導電粒子在樹醋中構成導電通路，器件表現為低阻抗；當電路中有過流現象發生時，流經PTC的大電流產生的熱量使聚合物樹醋基體體積膨脹，因而切斷導電粒子間的連接，從而對電路起到過流保護作用。當故障解啥後，該元件可自動恢復到初始狀態，保證電路正常工作。 一、鋰電池的充放電要求 1.鋰電池的充電 單節鋰電池的最高充電終止電壓為4.2V，不能過充，否則會因正極的鋰離子丟失太多而使電池報廢。對鋰電池充電時，應採用專用的恆流、恆壓充電器，先恆流充電至鋰電池兩端電壓為4.2V後，轉入恆壓充電模式；當恆壓充電電流降至100mA時，應停止充電。 充電電流（mA）可為0.1～1.5倍電池容量，例如：1350mAh的鋰電池，其充電電流可控制在135mA～2025mA之間。常規充電電流可選擇在0.5倍電池容量左右，充電時間約為2～3小時。 2. 鋰電池的放電 由於鋰電池的內部結構原因，放電時鋰離子不能全部移向正極，必須保留一部分鋰離子在負極，以保證在下次充電時鋰離子能夠暢通地嵌入通道。否則，電池壽命會縮短。為了保證石墨層中放電後留有部分鋰離子，就要嚴格限制放電終止最低電壓，也就是說鋰電池不能過放電。單節鋰電池的放電終止電壓通常為3.0V，最低不能低於2.5V。電池放電時間長短與電池容量、放電電流大小有關。電池放電時間（小時）＝電池容量／放電電流，且鋰電池放電電流（mA）不應超過電池容量的3倍，例如：1000mAh的鋰電池，則放電電流應嚴格控制在3A以內，否則會使電池損壞。 二、保護電路的組成 保護電路通常由控制IC、MOs開關管、熔斷保險絲、電阻、電容等元件組成，如圖2所示。正常的情況下，控制IC輸出信號控制MOs開關管導通，使電芯與外電路導通，當電芯電壓或迴路電流超過規定值時，它立即控制MOS管關斷，以保護電芯的安全。 控制IC內置高精度電壓檢測電路和多級電流檢測電路。其中，電壓檢測電路一是對充電電壓進行檢測，一旦達到其設定閾值（通常為3.9V～4.4V），立即進入過充電保護狀態；二是對放電電壓進行檢測，一旦達到其設定閾值（通常為2.0V～3.0V ），立即進入過放電保護狀態。 在該電路中，MOS開關管多采用薄型TSSOP -8或SOT23 -6封裝形式，其外形如圖3所示。這些MOS開關管有的內含一隻N溝道場效應管，如FDMC7680，其①～③腳為S極，④腳為G極，⑤～⑧腳為D極，其內部結構如圖4所示；有的內含兩隻N溝道場效應管，如FDW9926A、8205A等，其引腳功能與封裝形式有關，如圖5所示。 【提示】若控制IC與MOs開關管上有小圓形凹點，則該凹點所對管腳為①腳；若表面沒有凹點，則元件型號標註左側的第一個管腳為①腳，其餘引腳按逆時針方向排列。另外，在換用MOS開關管時，需根據實際線路走向判斷其內部電路，從而進行正確的代換。 另外，部分鋰電池保護電路中還安裝有NTC和ID信號形成元件。NTC是英文Negativetemperature coefficient的縮寫，意即負溫度係數電阻。該元件在此電路中主要起過熱保護作用，即當電池自身或其周邊環境溫度升高時，NTC元件阻值降低，使用電設備或充電設備及時作出反應，若溫度超過一定值時，系統進入保護狀態，停止充放電。ID是Identification的縮寫，即身份識別的意思，其信息識別的元件分為兩種：一是存儲器，常為獸線接口存儲器，存儲電池種類、生產日期等信息；二是識別電阻，這兩者均可起到產品的可追溯和應用的限制。 三、保護電路工作原理分析 單節鋰電池的正常輸出電壓約為3.7V，可直接作為手機、MP3/MP4及部分小屏幕的平板電腦的電源。對於需要較高電壓的電器而言，如移動DVD/EVD或大屏幕平板電腦，這時可用多節鋰電池串聯得到所需電壓，如一款需11.1V供電的平板電腦，則配用電池組件為三塊串聯的鋰電池。單節鋰電池與多節串聯鋰電池的保護電路有所不同，下面分別舉例分析。 1．單節鋰電池保護電路 單節鋰電池充放電保護電路的具體組成方案較多，但工作原理相差不大，下面以在手機中用得較多的一種電路為例進行分析，供參考。 該電路的控制芯片為DW01（或312F） ， MOS開關管為8205A，如圖6所示，B＋、B-分別是接電芯的正、負極；P＋、P -分別是保護板輸出的正、負極； T為溫度電阻（NTC）端口，一般需要與用電器的CPU配合才能進行保護控制。 DWO1或312F是一款鋰電池保護芯片，內置有高精確度的電壓檢測與時間延遲電路，主要參數如下：過充檢測電壓為3V，過充釋放電壓為4.05V；過放檢測電壓為2.5V，過放釋放電壓為3.0V ；過流檢測電壓為5V，短路電流檢測電壓為1.0V；DW01允許電池輸出的最大電流是3.3A。該芯片的引腳功能見表1。 （1）正常工作 該保護板的電路如圖7所示，當電芯電壓在2.5V～4.3V之間時，DW01的①、③腳均輸出高電平（等於供電電壓），②腳電壓為0V。此時8205A內的兩隻N溝道場效應管Q1、Q2均處於導通狀態，由於8205A的導通電阻很小，相當於D、S極間直通，此時電芯的負極與保護電路的P-端相當於直接連通，保護電路有電壓輸出，其電流回路如下：B＋→P＋→負載。P-→8205A的②、③腳→8205A的①腳→8205A的⑧腳→8205A的⑥、⑦腳→B-。 【提示】在此電路中，8205A內部場效應管Q1、Q2可等效為兩隻開關，當Q1或Q2的G極電壓大於1V時，開關管導通，D、S間內阻很小（數十毫歐姆），相當於開關閉合；當G極電壓小於0.7V時，開關管截止，D、S極間的導通內阻很大（幾兆歐姆），相當於開關斷開。 （2）過放電保護 當電芯通過外接的負載進行放電時，電芯兩端的電壓將慢慢降低，同時DW01內部將通過電阻R1實時監測電芯電壓，當電芯電壓下降到2.3V（通常稱為過放保護電壓）時，DWO1認為電芯已處於過放電狀態，其①腳電壓變為0， 8205A內Q1截止，此時電芯的B-與-之間處於斷開狀態，即電芯的放電迴路被切斷，電芯將停止放電。 進入過放電保護狀態後，電芯電壓會上升，若能上升到IC的門限電壓（一般為3.1V，通常稱為過放保護恢復電壓），DW0的①腳恢復輸出高電平，8205A內的Q1再次導通。 （3）電池充電 無論保護電路是否進入過放電狀態，只要給保護電路的P＋與P-端間加上充電電壓，DW0經B一端檢測到充電電壓後，便立即從③腳輸出高電平，8205A內的Q2導通，即電芯的B-保護電路的P-通，充電器對電芯充電，其電流回路如下：充電器正極→p＋→B＋→B-、8205A的⑥、⑦腳→8205A的⑧腳→8205A的①腳→8205A的②、③腳→P-→充電器負極。 （4）過充電保護 充電時，當電池通過充電器正常充電時，隨著充電時間的增加，電芯兩端的電壓將逐漸升高，當電芯電壓升高到4.4V（通常稱為過充保護電壓）時，DW01將判斷電芯已處於過充電狀態，便立即使③腳電壓降為0V， 8205A內的Q2因④腳為低電平而截止，此時電芯的B一極與保護電路的P-端之間處於斷開狀態並保持，即電芯的充電迴路被切斷，停止充電。 當保護電路的P＋與P-端接上放電負載後，雖然Q2截止，但其內部的二極管正方向與放電迴路的電流方向相同，所以仍可對負載放電。當電芯兩端電壓低於4.3V（通常稱為過充保護恢復電壓）時，DW01將退出過充電保護狀態，③腳重新輸出高電平，Q2導通，即電芯的B-端與保護電路P-端又重新接上，電芯又能進行正常的充放電。 （5）過流保護 由於MOs開關管飽和導通時也存在內阻，所以有電流流過時MOs開關管的D、S極間就會產生壓降，保護控制IC會實時檢測MOs開關管D、S極的電壓，當電壓升到IC保護門限值（一般為0.15V，稱為放電過流檢測電壓）時，其放電保護執行端馬上輸出低電平，放電控制MOs開關管關斷，放電迴路被斷開。 在圖7中，DW01通過接在V-端和VSS端之間的電阻R2實時檢測MOs開關管上的壓降。當負載電流增大時，Q1或Q2上的壓降也必然增大，當該壓降達到0.2V時，DWO1便判斷負載電流到達了極限值，於是其①腳電壓降為0V， 8205A內部的放電控制管Q1關閉，切斷電芯的放電迴路。實現過電流保護。 （6）過溫保護 保護板上的T端口為過溫保護端，與用電器的CPU相連。常見的過溫保護電路較簡單，就是在T端與P-端接一隻NTC電阻（見圖7中的R4），該電阻緊貼電芯安裝。當用電器長時間處於大功率工作狀態時（如手機長時間處於通話狀態），電芯溫度會上升，則NTC阻值會逐漸下降，用電器的CPU對NTC阻值進行檢測，當阻值下降到CPU設定閾值時，CPU立即發出關機指令，讓電池停止對其供電，只維持很小的待機電流，從而達到保護電池的目的。 【提示】當保護板處於保護狀態時，可以短接B-、P-端來激活保護板，這時控制芯片的充、放電保護執行端（OC、OD）均會輸出高電平，讓MOs開關管導通。 2．多節姐電池保護電路 鋰電池充放電控制芯片UCC3957可對3或4節鋰電池組提供過充電、過放電及過流等保護，具體而言：該芯片對電池組內的每一節電池電壓進行採樣，並與內部的精密基準電壓進行比較，當任意一節電池處於過壓或欠壓狀態時，芯片就會進行相應的控制，以防止進一步充電或放電，其典型應用電路如圖8所示。圖中，Q1、Q2為P溝道MOSFET管，分別控制充電和放電電流。 （1）電池組的連接 電池組與IC連接要注意順序。電池組的底端連接到UCC3957（U1）的AN4端，頂端連接到VDD端，每兩節電池的連接點按相應順序連接到AN1～AN3端。 當電池組為3節電池時，U1的②腳（CLCNT端）與16腳（DVDD端）相連，同時將⑥腳（AN3端）與⑦腳（AN4端）相連；當電池組為4節電池時，②腳接地（即連到AN4端）。 （2）放電 U1具有智能放電功能。放電時，U1的13腳輸出低電平，放電開關Q2導通，鋰電池組經Q2及Q1內的二極管向負載供電。當負載所需電流較大時，通過電流檢測電阻RS兩端的壓降也較大，當超過15mV（對應0.6A的放電電流）時，則U1的③腳輸出低電平，充電開關管Q1導通，從而提高電池組的放電能力。 （3）欠壓保護 當檢測到任一節電池處於過放電時（低於欠壓閾值），U1的③腳、13腳輸出高電平，同時關斷Q1，Q2、U1進入休眠狀態，此時芯片的工作電流僅為3.5μA。只有當③腳電壓升到VDD時，芯片檢測到後才會退出休眠狀態。 （4）充電 當接入充電器時，開關S1閉合，U1的⑨腳（CHGEN端）與16腳（DVDD）相通，U1的③腳輸出低電平，充電開關管Q1導通，電池組充電。 在充電期間，如果U1處於休眠狀態，則放電開關管Q2仍然關斷，充電電流經Q2內的二極管對電池組充電。當每節電池的電壓均高於欠壓ON值時，Q2導通。 （5）過流保護 為了適應大的電容負載，UCC3957設有兩個過流閾值電壓，每一個閾值電壓又可以設定不同的延遲時間，即採用二級過流保護模式。這種二級過流保護既可對短路提供快速的響應，又可使電池組承受一定的浪湧電流，以防止因濾波電容容量較大而引起不必要的過流保護動作。 電流檢測電阻RS接在U1的⑦腳（AN4）與⑧腳（BATLO）之間。當RS兩端的壓降超過某一閾值時，過流保護進入間歇模式。在這一模式下，放電開關管Q2週期性地關斷與導通，直到故障排除。一旦故障排除，芯片自動恢復到常規工作狀態。 第一級過流保護閾值為0.15V（對應的輸出電流為6A），且持續時間超過U1設定的時間（由U1的⑩腳（CDLY1）和地之間的電容C4設定），則U1進入間歇工作模式，其輸出脈衝的佔空比約為6%，即開關管的關斷時間大約是導通時間的16倍。 第二級過流閾值為0.375V（對應的輸出電流為15A），且持續時間超過U1設定的時間（由U1的14腳（CDLY2）和地之間的電容C3設定），則U1進入間歇工作模式，其輸出脈衝的佔空比小於1%，即開關管的關斷時間大約是導通時間的100倍。 （6）過壓保護 如果某一節電池的充電電壓超過充電閡值，則U1的③腳輸出高電平，充電開關管Q1關斷，進入過壓保護狀態。 另外，如果電池組與U1的④～⑥腳（AN 1 -AN3）的連線斷路，則U1也將進入過壓保護狀態。