锂离子电池保护电路原理分析

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文章摘要: 在控制IC检测到电池电压超过4.28V至发出关断V2信号之间,还有一段延时时间,该延时时间的长短由C3 决定,通常设为1 秒左右,以避免因干扰而造成误判断。3 、过放电保护 电池在对外部负载放电过程中,其电压会随着放电过程逐渐降低,当电池电压降至2.5V时,其容量已被完全放光,此时如果让电池继续对负载放电,将造成电池的永久性损坏。 在电池放电过程中,当控制IC检测到电池电压低于2.3V(该值由控制IC决定,不同的IC 有不同的值)时,其“DO”脚将由高电压转变为零电压,使V1 由导通转为关断,从而切断了放电回路,使电池无法再对

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        在控制IC检测到电池电压超过4.28V至发出关断V2信号之间,还有一段延时时间,该延时时间的长短由C3 决定,通常设为1 秒左右,以避免因干扰而造成误判断。

3 、过放电保护
        电池在对外部负载放电过程中,其电压会随着放电过程逐渐降低,当电池电压降至2.5V时,其容量已被完全放光,此时如果让电池继续对负载放电,将造成电池的永久性损坏。
        在电池放电过程中,当控制IC检测到电池电压低于2.3V(该值由控制IC决定,不同的IC 有不同的值)时,其“DO”脚将由高电压转变为零电压,使V1 由导通转为关断,从而切断了放电回路,使电池无法再对负载进行放电,起到过放电保护作用。而此时由于V1 自带的体二极管VD1 的存在,充电器可以通过该二极管对电池进行充电。
        由于在过放电保护状态下电池电压不能再降低,因此要求保护电路的消耗电流极小,此时控制IC 会进入低功耗状态,整个保护电路耗电会小于0.1 μA。
         在控制IC检测到电池电压低于2.3V至发出关断V1信号之间,也有一段延时时间,该延时时间的长短由C3 决定,通常设为100 毫秒左右,以避免因干扰而造成误判断。

4、 过电流保护
        由于锂离子电池的化学特性,电池生产厂家规定了其放电电流最大不能超过2C(C= 电池容量/ 小时),当电池超过2C 电流放电时,将会导致电池的永久性损坏或出现安全问题。
        电池在对负载正常放电过程中,放电电流在经过串联的2个MOSFET时,由于MOSFET的导通阻抗,会在其两端产生一个电压,该电压值U=I*RDS *2, RDS 为单个MOSFET导通阻抗,控制IC上的“V-”脚对该电压值进行检测,若负载因某种原因导致异常,使回路电流增大,当回路电流大到使U>0.1V(该值由控制IC 决定,不同的IC 有不同的值)时,其“DO”脚将由高电压转变为零电压,使V1 由导通转为关断,从而切断了放电回路,使回路中电流为零,起到过电流保护作用。
       在控制IC检测到过电流发生至发出关断V1信号之间,也有一段延时时间,该延时时间的长短由C3 决定,通常为13 毫秒左右,以避免因干扰而造成误判断。
       在上述控制过程中可知,其过电流检测值大小不仅取决于控制IC的控制值,还取决于MOSFET的导通阻抗,当MOSFET 导通阻抗越大时,对同样的控制IC,其过电流保护值越小。

5、 短路保护
       电池在对负载放电过程中,若回路电流大到使U>0.9V(该值由控制IC决定,不同的IC有不同的值)时,控制IC 则判断为负载短路,其“DO”脚将迅速由高电压转变为零电压,使V1由导通转为关断,从而切断放电回路,起到短路保护作用。短路保护的延时时间极短,通常小于7 微秒。其工作原理与过电流保护类似,只是判断方法不同,保护延时时间也不一样。

       以上详细阐述了单节锂离子电池保护电路的工作原理,多节串联锂离子电池的保护原理与之类似,在此不再赘述,上面电路中所用的控制IC 为日本理光公司的R5421 系列,在实际的电池保护电路中,还有许多其它类型的控制IC,如日本精工的S-8241系列、日本MITSUMI的MM3061系列、台湾富晶的FS312 和FS313 系列、台湾类比科技的AAT8632 系列等等,其工作原理大同小异,只是在具体参数上有所差别,有些控制IC 为了节省外围电路,将滤波电容和延时电容做到了芯片内部,其外围电路可以很少,如日本精工的S-8241 系列。
       除了控制IC外,电路中还有一个重要元件,就是MOSFET,它在电路中起着开关的作用,由于它直接串接在电池与外部负载之间,因此它的导通阻抗对电池的性能有影响,当选用的MOSFET较好时,其导通阻抗很小,电池包的内阻就小,带载能力也强,在放电时其消耗的电能也少。
      随着科技的发展,便携式设备的体积越做越小,而随着这种趋势,对锂离子电池的保护电路体积的要求也越来越小,在这两年已出现了将控制IC 和MOSFET 整合成一颗保护IC 的产品,如DIALOG公司的DA7112系列,有的厂家甚至将整个保护电路封装成一颗小尺寸的IC,如MITSUMI公司的产品。

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