手機鋰離子電池保護線(xiàn)路全剖析
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
我想這里有兩個(gè)問(wèn)題要澄清:
1.長(cháng)時(shí)間對鋰離子電池充電,如果是用的原裝正品的充電器或座充,確實(shí)是不會(huì )有損害的.這個(gè)不是因為保護線(xiàn)路的功勞,而是靠充電線(xiàn)路的嚴格精確的設計來(lái)保證的.
2.有保護線(xiàn)路的存在,并不能完全的防止鋰離子電池的過(guò)充的發(fā)生,保護線(xiàn)路只有在電池過(guò)充的時(shí)候才會(huì )起防止進(jìn)一步過(guò)充的作用.
這是幾個(gè)數據
RICOH推出的適合4.2V鋰離子電池的保護芯片,其過(guò)充保護電壓是4.35V+/-0.05V,日本精工SIEKO推出的8241系列中適合4.2V鋰離子電池的保護芯片,其過(guò)充保護電壓是4.275V+/-0.025V
而鋰離子電池充飽的時(shí)候,其電池電壓應該落在4.20V+/-0.04V之間,并沒(méi)有觸發(fā)保護線(xiàn)路動(dòng)作.之所以廠(chǎng)家說(shuō)明長(cháng)時(shí)間充電不會(huì )過(guò)充是因為手機的充電管理確保在電池電壓已經(jīng)到達4.20V以后不會(huì )繼續充電.而是保持監視狀態(tài).
等到了過(guò)充保護的電壓,比如4.275V,這個(gè)鋰離子電池已經(jīng)是過(guò)充了,此時(shí)保護線(xiàn)路才被切斷.防止進(jìn)一步過(guò)充的危險.
講完了這個(gè)認識誤區,下面帶大家認識一下手機鋰離子電池的內部機構.主要談一下鋰離子的保護線(xiàn)路的功能及其工作原理.有興趣的網(wǎng)友可以往下看:
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鋰離子保護線(xiàn)路全解剖
一般用戶(hù)接觸到手機鋰離子電池,在外面看到的除了電池外殼,還有就是幾個(gè)五金觸片了,如圖中"電池正極,電池負極"就是的電池正負極輸出.
┏━━Fuse━━━━━┳━━━━━━━━━┫電池正極
┃ R1
┃ ┃
┇ ┏┻━━┓
┏┻┓ ┃保護IC┃
┏┻━┻┓ ┏┫ ┃
┃ ┃ ┃┗━━┳┛ ┏━━┫標識電阻
┃鋰離子┃ ┃ ┃ ┃
┃電芯 ┃ ┃ ┃ R2
┃ ┃ ┃ ┃ ┃
┗━┳━┛ ┃ ┻Mosfet┃
┃ ┃ ┏╈┓ ┃
┗━━━━━━━┻━━┻┛┗━━━┻━━┫電池負極
而實(shí)際真正供電的源泉是電池塑料殼里面的鋰離子電池芯,但是由于鋰離子電芯的"嬌嫩"的特性,比如過(guò)充和過(guò)放,大電流放電,短路等非常規動(dòng)作都會(huì )對鋰離子電芯造成極大的傷害.所以保護線(xiàn)路的功能就是在上述非常規動(dòng)作發(fā)生時(shí)及時(shí)的切斷回路.保護鋰離子電芯.而這些保護動(dòng)作就是圖中的保護IC來(lái)判斷,由它來(lái)控制一對Mosfet場(chǎng)效應管來(lái)導通和切斷主供電回路,對鋰離子電芯進(jìn)行保護.
市面上常用的這種保護IC的生產(chǎn)廠(chǎng)商有SEIKO精工,RICOH理光,Motorala摩托羅拉半導體等.
以精工的S8241系列芯片來(lái)具體介紹各項保護功能.
眾所周知,以恒壓充電限制電壓來(lái)劃分,鋰離子電池有4.1V恒壓充電和4.2V恒壓充電兩種類(lèi)型.現在4.1V的版本已經(jīng)很少,絕大多數是4.2V的恒壓充電類(lèi)型的.下面的數據就只針對4.2V恒壓充電的鋰離子電池來(lái)討論.
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保護IC+Mosfet可以實(shí)現的功能如下(四大保護):
1.過(guò)充保護,當電池芯的電壓超過(guò)設定值時(shí),由保護IC切斷Mosfet管.等電芯電壓回歸到允許的電壓是,重新恢復Mosfet管的導通.
過(guò)充檢測電壓:4.275V+/-0.025V,電芯電壓一超過(guò)這個(gè)值,就觸發(fā)過(guò)充保護
過(guò)充釋放電壓:4.175V+/-0.030V,處于過(guò)充保護的電芯電壓只有降到這個(gè)值時(shí)才會(huì )停止保護.
過(guò)充保護延時(shí):1秒.當電壓持續超過(guò)過(guò)充檢測電壓1秒以上才會(huì )觸發(fā)過(guò)充保護,這個(gè)是為了防止誤判和誤操作而設置的.
2.過(guò)放保護,當電池芯的電壓降低得超過(guò)設定值時(shí),由保護IC切斷Mosfet管.等電芯電壓回歸到允許的電壓時(shí),重新恢復Mosfet管的導通.
過(guò)放檢測電壓:2.3V+/-0.08V
過(guò)放釋放電壓:2.4V
過(guò)放保護延時(shí):125毫秒
參數的含義與過(guò)充保護的類(lèi)似,不贅述.
3.過(guò)流保護,當工作電流超出設定值時(shí),由保護IC切斷Mosfet管.等工作電流回歸到允許的電壓是,重新恢復Mosfet管的導通.
過(guò)流電流壓降:0.1V,這里保護IC判斷的是電流流過(guò)Mosfet而產(chǎn)生的壓降,用這個(gè)電壓除于Mosfet的導通阻抗就可以近似得到過(guò)流保護的電流.一般在3~5A左右.
過(guò)流延時(shí):8毫秒,注意這個(gè)延時(shí)比前面的幾個(gè)過(guò)充過(guò)放的延時(shí)要短許多.
4.短路.其實(shí)這個(gè)功能是過(guò)流保護的擴展,當保護IC檢測電池輸出正負極之間電壓小于規定值時(shí),認為此時(shí)電池處于短路狀態(tài),立即切斷回路.等短路的故障排除再恢復回路.短路時(shí)電池的輸出正負極的電壓為零,而實(shí)際電芯的電壓還是正常的.
短路檢測延時(shí):10微秒,這個(gè)延時(shí)更是短暫,幾乎是短路的瞬間就切斷了回路,可以避免短路對電池帶來(lái)的巨大損傷.
還有一個(gè)參數,稱(chēng)為保護IC的自耗,如上圖,可以看到,保護IC是通過(guò)電阻R1利用了電芯的電壓來(lái)進(jìn)行工作的.不可避免的要消耗一部分電池的容量.一般保護IC的功耗是做的非常小的.在3微安左右,最大不超過(guò)6微安.
在保護回路里面還有一個(gè)器件,如上圖標示的Fuse,就是保險絲.它是串聯(lián)在電池的回路中.它的作用是在保護線(xiàn)路失效的情況下,作為最后的防線(xiàn),對于過(guò)流或高溫的鋰離子電池進(jìn)行切斷回路的動(dòng)作.該Fuse根據工作原理分為一次性保險絲(就象家里電表下用的那種)和可恢復保險絲(又稱(chēng)為PTC). 有了如此完備的保護線(xiàn)路,一般用戶(hù)想用壞鋰離子電池都有點(diǎn)困難.但是這并不是意味著(zhù)用戶(hù)可以隨意的濫用鋰離子電池.同樣有許多的地方是需要注意的.
下圖是根據鋰離子電池電壓根據實(shí)際使用劃分的幾個(gè)區域.
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高壓危險區
---------------保護線(xiàn)路過(guò)充保護電壓(4.275~4.35V)
高壓警戒區
---------------鋰離子電池充電限制電壓4.20V
正常使用區
---------------鋰離子電池放電終止電壓(2.75~3.00V)
低壓警戒區
---------------保護線(xiàn)路過(guò)放保護電壓(2.3~2.5V)
低壓危險區
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1.在正常使用區內.鋰離子電池可以正常發(fā)揮其特性,也沒(méi)有危險.
2.高壓警戒區.雖然這個(gè)區域處于保護線(xiàn)路的保護范圍之內,并不意味著(zhù)此時(shí)鋰離子電池也是安全的.長(cháng)期處于這種程度的過(guò)充,會(huì )很快的降低電池的循環(huán)壽命.
據我測試,將新鋰離子電池充電到4.3V使用可以比充電到4.2V的鋰離子電池提高15%左右的容量,但是在50次循環(huán)以后,其容量衰減到原來(lái)的80%,壽命整整縮短了10倍.記得網(wǎng)友battery老兄喜歡把鋰離子電池過(guò)充了用,這樣可以暫時(shí)提高前幾次循環(huán)的容量,容量不夠了就換一節新的.我們廣大網(wǎng)友恐怕沒(méi)有這個(gè)資本,還是老老實(shí)實(shí)的使用吧.這種低度過(guò)充的鋰離子電池往往在幾十次循環(huán)以后就會(huì )產(chǎn)生發(fā)鼓等變形.
3.低壓警戒區.處于該區域的鋰離子電池不適合快速充電,要先用小電流將電池電壓提升到3.0V以上才可以快速充電.否則容易導致鋰離子極性材料發(fā)生不良反應,影響電池性能.而這個(gè)電壓的鋰離子電池也非常容易因為電池本身的自耗和鋰離子保護線(xiàn)路的自耗很快的掉近低壓危險區.那就危險了.而且這個(gè)自耗是保護線(xiàn)路無(wú)法保護的.
4.低壓危險區,長(cháng)期處于低壓危險區的鋰離子電池,性能將近一步惡化.
在低電壓(小于2V)或更低的電壓情況下,正極材料的鈷鋰酸(又稱(chēng)尖晶石)晶格發(fā)生變化,其晶體機構會(huì )以枝晶形式生產(chǎn).這種枝晶發(fā)展長(cháng)大的話(huà)會(huì )戳穿正負極的隔膜,導致電池微短路.進(jìn)一步惡化電池的性能.甚至導致電池發(fā)生膨脹,徹底報廢.
5.高壓危險區.此時(shí)保護線(xiàn)路已經(jīng)失效,或者根本沒(méi)有保護線(xiàn)路.在這個(gè)區域的鋰離子電池(特別是4.8V以上),鋰離子內部會(huì )發(fā)生劇烈的反應,產(chǎn)生強大的熱量,導致電池內壓正極,使電芯變形,不同于低度過(guò)充,這種變化是一次性的,即一次高度過(guò)充就可以造成電池發(fā)鼓.甚至爆炸.
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以下是幾點(diǎn)鋰離子電池的與保護線(xiàn)路相關(guān)的注意事項
1.不要試圖直接短路鋰離子電池來(lái)強行放電.這樣做只有兩種結果,一是保護線(xiàn)路起作用,那么什么事也不會(huì )發(fā)生.二是保護線(xiàn)路失效,那樣就會(huì )造成過(guò)流或直接電芯的短路,就會(huì )觸發(fā)fuse動(dòng)作,如果里面也沒(méi)有fuse的保護(很多雜牌鋰離子電池就是沒(méi)有fuse或PTC),那么這種短路的瞬間電流將達到十幾甚至幾十安培,足以燒毀線(xiàn)路板,使導線(xiàn)發(fā)紅.要是碰上皮膚那就更慘了.
2.不要使用不合格(沒(méi)有認證)的充電器或座充,鋰離子電池的充電過(guò)充需要嚴格的電壓控制,這點(diǎn)做的不好的充電器會(huì )對鋰離子電池造成低度過(guò)充,雖然最后有保護線(xiàn)路的保護,但是已經(jīng)過(guò)充了.
3.不要在電池兩端加高壓,保護芯片也有極限的承受電壓,一般在12V左右,在往上往往會(huì )擊穿保護芯片.
4.不要逆接電池正負極進(jìn)行充電,同樣會(huì )損傷保護IC
5.注意鋰離子電池的使用環(huán)境,潮濕,高溫,靜電會(huì )導致保護IC或Mosfet失效的.手機落入水中,在記得吹干手機主板的同時(shí),也要對鋰離子電池進(jìn)行晾干處理,但不要用電吹風(fēng)吹干.高溫(60度以上)對鋰離子電池是有害的.
很有趣的是第一點(diǎn).有興趣的網(wǎng)友可以根據鋰離子電池保護線(xiàn)路的短路保護功能來(lái)測試一下你的保護線(xiàn)路是否有效.最后找一個(gè)指針式的直流電流表(5A量程左右),對電池的正負極直接短路,你可以看到電流表指針會(huì )動(dòng)一下并迅速歸零.這就說(shuō)明在幾個(gè)微妙之內保護線(xiàn)路已經(jīng)動(dòng)作了.這是檢測你的鋰離子電池有沒(méi)有保護線(xiàn)路的一個(gè)簡(jiǎn)單有效的辦法.采用數字式的電流表也行,都要把量程設成最大的安培檔(2A以上的).
以上談?wù)摰氖菃喂濅囯x子電池的保護線(xiàn)路,不包括串聯(lián)兩節以上的保護IC,道理大同小異.
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在第一個(gè)圖中,我畫(huà)了一個(gè)標識電阻R2,如果這個(gè)電阻是個(gè)常規的定值電阻,那么就是手機用來(lái)區別電池類(lèi)型用的.三星的手機在隱藏菜單中可以看到這個(gè)電阻值.他們的手機用不同的電阻來(lái)區分不同容量的電池(厚薄電)
如果這個(gè)電池是個(gè)熱敏電阻(NTC),那么它就可以告訴手機或充電器電池的溫度,因此手機或充電器就有了對電池溫度的檢測能力.當電池溫度超出范圍(比如0度~40度以外),手機或座充就不對鋰離子電池進(jìn)行充電動(dòng)作.這也是對鋰離子電池的保護.
有些電池會(huì )有兩個(gè)以上的標識電阻(一個(gè)常規電阻,一個(gè)熱敏電阻)或專(zhuān)用的識別芯片來(lái)執行這個(gè)功能.原理都是一樣的.目的就是確保更好的的使用鋰離子電池.
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