鋰電池保護板原理

鋰電池(可充型)之所以需要保護，是由它本身特性決定的。由于鋰電池本身的材料決定了它不能被過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流、短路及超高溫充放電，因此鋰電池鋰電組件總會(huì )跟著(zhù)一塊精致的保護板和一片電流保險器出現。

鋰電池的保護功能通常由保護電路板和PTC等電流器件協(xié)同完成，保護板是由電子電路組成，在-40℃至+85℃的環(huán)境下時(shí)刻準確的監視電芯的電壓和充放回路的電流，及時(shí)控制電流回路的通斷；PTC在高溫環(huán)境下防止電池發(fā)生惡劣的損壞。

普通鋰電池保護板通常包括控制IC、MOS開(kāi)關(guān)、電阻、電容及輔助器件FUSE、PTC、NTC、ID、存儲器等。其中控制IC，在一切正常的情況下控制 MOS開(kāi)關(guān)導通，使電芯與外電路導通，而當電芯電壓或回路電流超過(guò)規定值時(shí)，它立刻控制MOS開(kāi)關(guān)關(guān)斷，保護電芯的安全。

在保護板正常的情況下，Vdd為高電平，Vss,VM為低電平，DO、CO為高電平，當Vdd,Vss,VM任何一項參數變換時(shí)，DO或CO端的電平將發(fā)生變化。

1、過(guò)充電檢出電壓：在通常狀態(tài)下，Vdd逐漸提升至CO端由高電平 變?yōu)榈碗娖綍r(shí)VDD-VSS間電壓。

2、過(guò)充電解除電壓：在充電狀態(tài)下，Vdd逐漸降低至CO端由低電平 變?yōu)楦唠娖綍r(shí)VDD-VSS間電壓。

3、過(guò)放電檢出電壓：通常狀態(tài)下，Vdd逐漸降低至D O端由高電平 變?yōu)榈碗娖綍r(shí)VDD- VSS間電壓。

4、過(guò)放電解除電壓：在過(guò)放電狀態(tài)下，Vdd逐漸上升到DO端由低電平 變?yōu)楦唠娖綍r(shí) VDD-VSS間電壓 。

5、過(guò)電流1檢出電壓：在通常狀態(tài)下，VM逐漸升至DO由高電平 變?yōu)榈碗娖綍r(shí)VM-VSS間電壓。

6、過(guò)電流2檢出電壓：在通常狀態(tài)下，VM從OV起以1ms以上4ms以下的速度升到 DO端由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)VM-VSS間電壓。

7、負載短路檢出電壓：在通常狀態(tài)下，VM以OV起以1μS以上50μS以下的速度升至DO端由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)VM-VSS間電壓。

8、充電器檢出電壓：在過(guò)放電狀態(tài)下，VM以OV逐漸下降至DO由低電平變?yōu)樽優(yōu)楦唠娖綍r(shí)VM-VSS間電壓。

9、通常工作時(shí)消耗電流：在通常狀態(tài)下，流以VDD端子的電流（IDD）即為通常工作時(shí)消耗電流。

10、過(guò)放電消耗電流：在放電狀態(tài)下，流經(jīng)VDD端子的電流（IDD）即為過(guò)流放電消耗電流。

1、通常狀態(tài)：電池電壓在過(guò)放電檢出電壓以上（2.75V以上），過(guò)充電檢出電壓以下（4.3V以下），VM端子的電壓在充電器檢出電壓以上，在過(guò) 電流/檢出電壓以下（OV）的情況下，IC通過(guò)監視連接在VDD-VSS間的電壓差及VM-VSS間的電壓差而控制MOS管，DO、CO端都為高電 平，MOS管處導通狀態(tài)，這時(shí)可以自由的充電和放電；
當電池被充電使電壓超過(guò)設定值VC(4.25-4.35V)后，VD1翻轉使Cout變?yōu)榈碗娖?，T1截止，充電停止，當電池電壓回落至VCR(3.8-4.1V)時(shí)，Cout變?yōu)楦唠娖?，T1導通充電繼續， VCR小于VC一個(gè)定值，以防止電流頻繁跳變。

當電池電壓因放電而降低至設定值VD（2.3-2.5V）時(shí)， VD2翻轉，以IC內部固定的短時(shí)間延時(shí)后，使Dout變?yōu)榈碗娖?，T2截止，放電停止。

當電路放電電流超過(guò)設定值或輸出被短路時(shí)，過(guò)流、短路檢測電路動(dòng)作，使MOS管（T2）關(guān)斷，電流截止。

該保護回路由兩個(gè)MOSFET（T1、T2）和一個(gè)控制IC（N1）外加一些阻容元件構成?？刂?/p>

IC負責監測電池電壓與回路電流，并控制兩個(gè)MOSFET的柵極，MOSFET在電路中起開(kāi)關(guān)作用，分別控
制著(zhù)充電回路與放電回路的導通與關(guān)斷，C2為延時(shí)電容，該電路具有過(guò)充電保護、過(guò)放電保護、過(guò)電流保

護與短路保護功能，其工作原理分析如下：

1、正常狀態(tài)

在正常狀態(tài)下電路中N1的“CO”與“DO”腳都輸出高電壓，兩個(gè)MOSFET都處于導通狀態(tài)，電池可以自由地進(jìn)行充電和放電，由于MOSFET的導通阻抗很小，通常小于30毫歐，因此其導通電阻對電路的性能影響很小。

此狀態(tài)下保護電路的消耗電流為μA級，通常小于7μA。

2、過(guò)充電保護

鋰離子電池要求的充電方式為恒流/恒壓，在充電初期，為恒流充電，隨著(zhù)充電過(guò)程，電壓會(huì )上升到4.2V(根據正極材料不同，有的電池要求恒壓值為4.1V)，轉為恒壓充電，直至電流越來(lái)越小。

電池在被充電過(guò)程中，如果充電器電路失去控制，會(huì )使電池電壓超過(guò)4.2V后繼續恒流充電，此時(shí)電池電壓仍會(huì )繼續上升，當電池電壓被充電至超過(guò)4.3V時(shí)，電池的化學(xué)副反應將加劇，會(huì )導致電池損壞或出現安全問(wèn)題。

在帶有保護電路的電池中，當控制IC檢測到電池電壓達到4.28V（該值由控制IC決定，不同的IC有不同的值）時(shí)，其“CO”腳將由高電壓轉變?yōu)?零電壓，使T1由導通轉為關(guān)斷，從而切斷了充電回路，使充電器無(wú)法再對電池進(jìn)行充電，起到過(guò)充電保護作用。而此時(shí)由于T1自帶的體二極管VD1的存在，電 池可以通過(guò)該二極管對外部負載進(jìn)行放電。

在控制IC檢測到電池電壓超過(guò)4.28V至發(fā)出關(guān)斷T1信號之間，還有一段延時(shí)時(shí)間，該延時(shí)時(shí)間的長(cháng)短由C2決定，通常設為1秒左右，以避免因干擾而造成誤判斷。

3、過(guò)放電保護

電池在對外部負載放電過(guò)程中，其電壓會(huì )隨著(zhù)放電過(guò)程逐漸降低，當電池電壓降至2.5V時(shí)，其容量已被完全放光，此時(shí)如果讓電池繼續對負載放電，將造成電池的永久性損壞。

在電池放電過(guò)程中，當控制IC檢測到電池電壓低于2.3V（該值由控制IC決定，不同的IC有不同的值）時(shí)，其“DO”腳將由高電壓轉變?yōu)榱汶妷海?使T2由導通轉為關(guān)斷，從而切斷了放電回路，使電池無(wú)法再對負載進(jìn)行放電，起到過(guò)放電保護作用。而此時(shí)由于T2自帶的體二極管VD2的存在，充電器可以通 過(guò)該二極管對電池進(jìn)行充電。

由于在過(guò)放電保護狀態(tài)下電池電壓不能再降低，因此要求保護電路的消耗電流極小，此時(shí)控制IC會(huì )進(jìn)入低功耗狀態(tài)，整個(gè)保護電路耗電會(huì )小于0.1μA。 在控制IC檢測到電池電壓低于2.3V至發(fā)出關(guān)斷T2信號之間，也有一段延時(shí)時(shí)間，該延時(shí)時(shí)間的長(cháng)短由C2決定，通常設為100毫秒左右，以避免因干擾而 造成誤判斷。

4、過(guò)電流保護

由于鋰離子電池的化學(xué)特性，電池生產(chǎn)廠(chǎng)家規定了其放電電流最大不能超過(guò)2C（C=電池容量/小時(shí)），當電池超過(guò)2C電流放電時(shí)，將會(huì )導致電池的永久性損壞或出現安全問(wèn)題。

電池在對負載正常放電過(guò)程中，放電電流在經(jīng)過(guò)串聯(lián)的2個(gè)MOSFET時(shí)，由于MOSFET的導通阻抗，會(huì )在其兩端產(chǎn)生一個(gè)電壓，該電壓值 U=I*RDS*2, RDS為單個(gè)MOSFET導通阻抗，控制IC上的“V-”腳對該電壓值進(jìn)行檢測，若負載因某種原因導致異常，使回路電流增大，當回路電流大到使 U>0.1V（該值由控制IC決定，不同的IC有不同的值）時(shí)，其“DO”腳將由高電壓轉變?yōu)榱汶妷?，使T2由導通轉為關(guān)斷，從而切斷了放電回路， 使回路中電流為零，起到過(guò)電流保護作用。

在控制IC檢測到過(guò)電流發(fā)生至發(fā)出關(guān)斷T2信號之間，也有一段延時(shí)時(shí)間，該延時(shí)時(shí)間的長(cháng)短由C2決定，通常為13毫秒左右，以避免因干擾而造成誤判斷。

在上述控制過(guò)程中可知，其過(guò)電流檢測值大小不僅取決于控制IC的控制值，還取決于MOSFET的導通阻抗，當MOSFET導通阻抗越大時(shí)，對同樣的控制IC，其過(guò)電流保護值越小。

5、短路保護

電池在對負載放電過(guò)程中，若回路電流大到使U>0.9V（該值由控制IC決定，不同的IC有不同的值）時(shí)，控制IC則判斷為負載短路，其 “DO”腳將迅速由高電壓轉變?yōu)榱汶妷?，使T2由導通轉為關(guān)斷，從而切斷放電回路，起到短路保護作用。短路保護的延時(shí)時(shí)間極短，通常小于7微秒。其工作原 理與過(guò)電流保護類(lèi)似，只是判斷方法不同，保護延時(shí)時(shí)間也不一樣。