鋰離子電池的常態(tài)和保護電路原理詳解

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V1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。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。 7|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)榱汶妷?，使V2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V2自帶的體二極管VD2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V2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C3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?，使V1 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V1自帶的體二極管VD1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V1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C3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V1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V1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C3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

以上詳細闡述了單節鋰離子電池保護電路的工作原理，多節串聯(lián)鋰離子電池的保護原理與之類(lèi)似，在此不再贅述，上面電路中所用的控制IC為日本理光公司的 R5421系列，在實(shí)際的電池保護電路中，還有許多其它類(lèi)型的控制IC，如日本精工的S-8241系列、日本MITSUMI的MM3061系列、臺灣富晶的FS312和FS313系列、臺灣類(lèi)比科技的AAT8632系列等等，其工作原理大同小異，只是在具體參數上有所差別，有些控制IC為了節省外圍電路，將濾波電容和延時(shí)電容做到了芯片內部，其外圍電路可以很少，如日本精工的S-8241系列。 除了控制IC外，電路中還有一個(gè)重要元件，就是MOSFET，它在電路中起著(zhù)開(kāi)關(guān)的作用，由于它直接串接在電池與外部負載之間，因此它的導通阻抗對電池的性能有影響，當選用的MOSFET較好時(shí)，其導通阻抗很小，電池包的內阻就小，帶載能力也強，在放電時(shí)其消耗的電能也少。

隨著(zhù)科技的發(fā)展，便攜式設備的體積越做越小，而隨著(zhù)這種趨勢，對鋰離子電池的保護電路體積的要求也越來(lái)越小，在這兩年已出現了將控制IC和MOSFET整合成一顆保護IC的產(chǎn)品，如DIALOG公司的DA7112系列，有的廠(chǎng)家甚至將整個(gè)保護電路封裝成一顆小尺寸的IC，如MITSUMI公司的產(chǎn)品。