手機鋰離子電池保護電路原理分析-free

kinpoagilent

於鋰離子電池的特性與其他可充電電池不同，內部通常都帶有一塊電路板，不少人對該電路的作用不瞭解（有些人可能還不知道鋰電裏有保護電路），下面將對鋰離子電池的特點及其保護電路工作原理進行闡述。
    鋰電池分為一次電池和二次電池兩類，目前在手機裏的備用電池因耗電小主要使用不可充電的一次鋰電池，而在手機主電池因耗電量較大則使用可充電的二次電池，即鋰離子電池。
    與鎳鎘和鎳氫電池相比，鋰離子電池具備以下幾個優點：
    1、電壓高，單節鋰離子電池的電壓可達到3.6V，遠高於鎳鎘和鎳氫電池的1.2V電壓。
    2、容量密度大，其容量密度是鎳氫電池或鎳鎘電池的1.5-2.5倍。
    3、荷電保持能力強（即自放電小），在放置很長時間後其容量損失也很小。
    4、壽命長，正常使用其迴圈壽命可達到500次以上。
    5、沒有記憶效應，在充電前不必將剩餘電量放空，使用方便。
    由於鋰離子電池的化學特性，在正常使用過程中，其內部進行電能與化學能相互轉化的化學正反應，但在某些條件下，如對其過充電、過放電和過電流將會導致電池內部發生化學副反應,該副反應加劇後，會嚴重影響電池的性能與使用壽命，並可能產生大量氣體，使電池內部壓力迅速增大後爆炸而導致安全問題，因此所有的鋰離子電池都需要一個保護電路，用於對電池的充、放電狀態進行有效監測，並在某些條件下關斷充、放電回路以防止對電池發生損害。
    下圖為一個典型的鋰離子電池保護電路原理圖。
    如上圖所示，該保護回路由兩個MOSFET（V1、V2）和一個控制IC（N1）外加一些阻容元件構成。控制IC負責監測電池電壓與回路電流，並控制兩個MOSFET的柵極，MOSFET在電路中起開關作用，分別控制著充電回路與放電回路的導通與關斷，C3為延時電容，該電路具有過充電保護、過放電保護、過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
    在正常狀態下電路中N1的“CO”與“DO”腳都輸出高電壓，兩個MOSFET都處於導通狀態，電池可以自由地進行充電和放電，由於MOSFET的導通阻抗很小，通常小於30毫歐，因此其導通電阻對電路的性能影響很小。
此狀態下保護電路的消耗電流為μA級，通常小於7μA。
    2、過充電保護
    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，隨著充電過程，電壓會上升到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，直至電流越來越小。
    電池在被充電過程中，如果充電器電路失去控制，會使電池電壓超過4.2V後繼續恒流充電，此時電池電壓仍會繼續上升，當電池電壓被充電至超過4.3V時，電池的化學副反應將加劇，會導致電池損壞或出現安全問題。
    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，其“CO”腳將由高電壓轉變為零電壓，使V2由導通轉為關斷，從而切斷了充電回路，使充電器無法再對電池進行充電，起到過充電保護作用。而此時由於V2自帶的體二極體VD2的存在，電池可以通過該二極體對外部負載進行放電。在控制IC檢測到電池電壓超過4.28V至發出關斷V2信號之間，還有一段延時時間，該延時時間的長短由C3決定，通常設為1秒左右，以避免因干擾而造成誤判斷。
    3、過放電保護
    電池在對外部負載放電過程中，其電壓會隨著放電過程逐漸降低，當電池電壓降至2.5V時，其容量已被完全放光，此時如果讓電池繼續對負載放電，將造成電池的永久性損壞。
    在電池放電過程中，當控制IC檢測到電池電壓低於2.3V（該值由控制IC決定，不同的IC有不同的值）時，其“DO”腳將由高電壓轉變為零電壓，使V1由導通轉為關斷，從而切斷了放電回路，使電池無法再對負載進行放電，起到過放電保護作用。而此時由於V1自帶的體二極體VD1的存在，充電器可以通過該二極體對電池進行充電。
    由於在過放電保護狀態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，此時控制IC會進入低功耗狀態，整個保護電路耗電會小於0.1μA。
    在控制IC檢測到電池電壓低於2.3V至發出關斷V1信號之間，也有一段延時時間，該延時時間的長短由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、過電流保護
    由於鋰離子電池的化學特性，電池生產廠家規定了其放電電流最大不能超過2C（C=電池容量/小時），當電池超過2C電流放電時，將會導致電池的永久性損壞或出現安全問題。
    電池在對負載正常放電過程中，放電電流在經過串聯的2個MOSFET時，由於MOSFET的導通阻抗，會在其兩端產生一個電壓，該電壓值U=I*RDS*2, RDS為單個MOSFET導通阻抗，控制IC上的“V-”腳對該電壓值進行檢測，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，其“DO”腳將由高電壓轉變為零電壓，使V1由導通轉為關斷，從而切斷了放電回路，使回路中電流為零，起到過電流保護作用。
    在控制IC檢測到過電流發生至發出關斷V1信號之間，也有一段延時時間，該延時時間的長短由C3決定，通常為13毫秒左右，以避免因干擾而造成誤判斷。
    在上述控制過程中可知，其過電流檢測值大小不僅取決於控制IC的控制值，還取決於MOSFET的導通阻抗，當MOSFET導通阻抗越大時，對同樣的控制IC，其過電流保護值越小。
    5、短路保護
    電池在對負載放電過程中，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，控制IC則判斷為負載短路，其“DO”腳將迅速由高電壓轉變為零電壓，使V1由導通轉為關斷，從而切斷放電回路，起到短路保護作用。短路保護的延時時間極短，通常小於7微秒。其工作原理與過電流保護類似，只是判斷方法不同，保護延時時間也不一樣。
    以上詳細闡述了單節鋰離子電池保護電路的工作原理，上面電路中所用的控制IC為日本理光公司的R5421系列，在實際的電池保護電路中，還有許多其他類型的控制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為了節省週邊電路，將濾波電容和延時電容做到了晶片內部，其週邊電路可以很少，如日本精工的S-8241系列。
    除了控制IC外，電路中還有一個重要元件，就是MOSFET，它在電路中起著開關的作用，由於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，其導通阻抗很小，電池包的內阻就小，帶載能力也強，在放電時其消耗的電能也少。
    隨著科技的發展，手機的體積越做越小，而隨著這種趨勢，對鋰離子電池的保護電路體積的要求也越來越小，在這兩年已出現了將控制IC和MOSFET整合成一顆保護IC的產品，如DIALOG公司的DA7112系列，有的廠家甚至將整個保護電路封裝成一顆小尺寸的IC，如MITSUMI公司的產品。
    手機的鋰離子電池在損壞後，有些是保護電路出故障(尤其是進水機的電池)，因此有些鋰電可以拆開來修復，既環保又不浪費。

heblkmei

文章太好了，只可惜是繁体字（楼主大概是台湾同胞吧），另外图纸没有看见，遗憾。