锂电池单电心保护板工作原理分析

　　下图单电心保护板原理图(a)给出了一款具有代表性的手机电池保护电路，图中icl是理光公司的r5402n163kd．ici是控制芯片．vcc、vss供电输入端，接电心，vcc也是电心电压采样：cout是充电过压保护电压比较器的输出端，外接充电过压保护开关管n2的c2;dout是放电保护电压比较器的输出端，外接放电保护开关管nl的g1。
　　
　　ic2内部有两个独立的开通电压很低的nmos管，为了分析整个电路的工作原理，将它内部的具体电路进行了置换，如下图(b)所示。
　　
　　绝大多数配有保护板的电心的正、负极两条引线对外电路来说，电心正极和外电路正极是直接相连的。电心负极和外电路负极不直接相连，有两大类：
　　
　　电心负极串联放电保护开关再串联充电保护开关．然后才和外电路的负极相连接，这类为同口（充、放电共口）．即整个电池包pack对外只有两条线．一正一负。放电和充电都接这里，俗称“同口”或“共口”，下图介绍的就是共口。
　　
　　电心负极在保护板标记为英文battery-，简写为“b-”：电心正极在保护板一般没有焊点，如果有，标记为英文battery+．简写为“b+”。
　　
　　关于输出口的负极，保护板标记为英文power-的简写“p-”；输出口的正极则和电心正极直接相连，用于和负载的正极相连接。
　　
　　该电路具有过充电保护、过放电保护、过电流保护与短路保护功能，其工作原理分析如下：
　　
　　(i)正常状态
　　
　　在正常状态下电路中ic1的“co”与“do”脚都输出高电压，两个nmos都处于导通状态，电池可以自由地进行充电和放电．由于nmos的导通电阻很小．通常小于30mω．因此其导通电阻对电路的性能影响很小。此状态下保护电路的消耗电流为μa级，通常小于7μa。
　　
　　(2)过充电保护（过压保护）
　　
　　锂离子电池要求的充电方式为恒流/恒压．在充电初期，为恒流充电，随着充电过程．电压会上升到4.2v(根据正极材料不同，有的电池要求恒压值为4.1v)．转为恒压充电，直至电流越来越小。电池在被充电过程中，如果充电器电路失去控制，会使电池电压超过4.2v后继续恒流充电，此时电池电压仍会继续上升，当电池电压被充电至超过4.3v时，电池的化学副反应将加剧，会导致电池损坏或出现安全问题。在带有保护电路的电池中，当控制ici检测到电池电压达到4.28v（该值由控制lc决定，不同的lc有不同的值）肘，其“co”脚将由高电压转变为零电压，使n2由导通转为关断，从而切断了充电回路，使充电器无法再对电池进行充电，起到过充电保护作用。而此时由于n2寄生二极管vd2的存在，电池可以通过该二极管对外部负载进行放电。在控制ici检测到电池电压超过4.28v至发出关断n2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)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ic1决定，不同的ici有不同的值）时，控制ic1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n1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7μs。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。
　　
　　(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 大不能超过2c．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nmos管时，由于nmos的导通阻抗．会在其两端产生一个电压．该电压值u=lxrdsx2,rds为单个nmos导通阻抗．控制ic1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>o.lv（该值由控制ici决定，不同的ici有不同的值）时，其“do”脚将由高电压转变为零电压，使nl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ic1检测到过电流发生至发出关断nl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13ms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ic1的控制值，还取决于nmos的导通阻抗，当nmos导通阻抗越大时．对同样的控制ic1,其过电流保护值越小。
　　
　　(5)过放电保护（欠压保护）
　　
　　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．其容量巳被完全放光，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lc检测到电池电压低于2.3v（该值由控制ici决定．不同的ici有不同的值）时，其“do”脚将由高电压转变为零电压，使nl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nl寄生二极管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lc会进入低功耗状态，整个保护电路耗电会小于o.1μa。在控制lc检测到电池电压低于2.3v至发出关断nl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looms左右，以避免因干扰而造成误判断。
　　
　　这部分掌握的重点是控制集成电路(集成电路缩写为ic)的基本引脚及其功能！这类单电心控制lc都是贴片器件，体积很小，市场没有零售。单电心控制ic大部分读者唾手可得的来源之一是废旧手机电池，来源之二是二手市场的废矿灯。它们多数是限压4.2v、欠压3v左右动作的ic。牌子杂乱、绝大多数没有标识或者标识简单，即使在网络化的今天也很难查到资料。
　　
　　但是，根据原实物的实际连接找出 基本的电源引脚v+和v-，充电保护输出端c0．放电保护输出端do是不难做到的。这样就可以大展身手，利用它们及其所在的印刷线路板(pcb)进行制作：锂电容量测试仪、14串锂电保护板等。
　　
　　以上是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．本节介绍的控制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lc．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。国内也有控制lc的生产厂家，像如韵和中星微。

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