鋰電池充電及保護電路

鋰電池特性

首先，問一句簡單的問題，為什么很多電池都是鋰電池？

鋰電池，大伙對它都不會感到陌生。在電子產(chǎn)品項目開發(fā)的過程中，尤其是遇到電池供電的類別項目，咱們就會和鋰電池打交道。

這是因為鋰電池的電路特性決定的。

眾所周知，鋰原子在化學元素周期表中排在第三位，包含3個質(zhì)子與3個電子，其中3個電子在鋰原子核內(nèi)部的分布對它的化學與物理特性起到?jīng)Q定性作用。

元素周期表

鋰原子核外層的3個電子，只有最外層的1個電子是自由電子，另外2個電子不屬于自由電子，也就是不參與鋰原子的電子性能。

為什么會選用鋰元素作為電池的材料呢？

這是因為，鋰原子雖然最外層只有1個電子，但它的相對原子質(zhì)量卻僅僅只有7。換句話說，在相同的質(zhì)量密度條件下，鋰原子所帶的電能是最多的。

以鋁元素為例進行對比，可以直觀的得出結論。

鋁元素，在元素周期表排在13位，最外層自由移動的電子數(shù)是3，相對原子質(zhì)量是27。也就是如果用質(zhì)量為27的鋁元素制造電池，它的電能是3。

如果用相同質(zhì)量為27的鋰元素制造電池，它的電能是27*（1/7），大約為3.86。

顯然，在電能方面，鋰元素的3.86是要超過鋁元素的3。這就是為什么鋰電池如此受歡迎的原因理論解釋。

鋰電池的充電電路

在了解完鋰電池的基本電路特性后，咱們在開發(fā)帶有鋰電池供電的項目時，就會面臨鋰電池的充電電路問題。

鋰電池的電壓為3.0V ~ 4.2V之間變化，也就是鋰電池的最大電壓為4.2V，最小電壓為3.0V。最大電壓與最小電壓，對于鋰電池而言，隱藏著什么電路含義呢？

單節(jié)鋰電池

最大電壓是4.2V，也就是鋰電池兩端能承受的極限電壓不超過4.2V；最小電壓為3.0V，也就是鋰電池兩端的極限放電電壓不低于3.0V；換言之，它的另外一層電路意義是鋰電池在接收外界的充電電路充電，它的最后充電電壓不能高于4.2V；鋰電池在向外界負載提供工作電源，它最后消耗的電壓會停留在3.0V。

基于此，如果咱們將常用的5V/1A或者5V/2A規(guī)格的充電器，對鋰電池進行直接充電，這樣是否可以呢？

充電器

顯然是不行的。為什么呢？

因為無論是5V/1A或者5V/2A規(guī)格的充電器，對外輸出的充電電壓均為5V，超過了鋰電池最大的承受電壓4.2V。

針對這兩個電壓不匹配兼容的問題，該如何去解決呢？在不改變充電器5V/1A和5V/2A規(guī)格的條件下，大伙應當如何去實現(xiàn)呢？

常用的電路解決方案是TP4054充電管理芯片。

TP4054充電管理芯片，是一款適合單節(jié)鋰電池的充電管理芯片，屬于恒壓恒流的線性充電類型，充電電壓固定于4.2V，充電電流最大支持800mA，并且自身的待機消耗電流只有2uA。

TP4054應用電路圖

在TP4054充電管理芯片應用電路圖中，大伙可以很清楚地觀察到，整個電路設計的方案非常簡潔，外圍電路只有幾個電阻電容和LED燈，省去了外置的MOS管，與此同時也節(jié)約了設計的BOM表成本。

• Pin 1引腳CHRG：TP4054芯片的充電狀態(tài)指示功能。在充電的過程中，連接的LED為亮，充電充滿的時候，連接的LED為滅；

• Pin 2引腳GND：TP4054芯片的參考地，屬于電路的公共端；

• Pin 3引腳BAT：TP4054芯片的充電輸出端，直接連接到單節(jié)鋰電池的正極；

• Pin 4引腳VCC：TP4054芯片的電源輸入端，也是單節(jié)鋰電池的充電輸入接口，電壓工作范圍為4.5V~6.5V，正好滿足5V/1A和5V/2A規(guī)格的充電器輸出電壓；

• Pin 5引腳PROG：TP4054芯片的充電電流設置功能，選擇不同的阻值R1，就可以設定不同的充電電流I；

• 
  

具體的對應關系為

（1）在充電電流I 設定不大于0.15A時，R1 = 1000 / I；

（2）在充電電流I 設定大于0.15A時，R1 = 1000 / I *（1.2- 4 * I /3）；

舉例說明，當充電的電流設定為0.1A，R1電阻的阻值就被選定為了 10K；當充電的電流設定為0.5A，R1電阻的阻值就被選定為了 1K；

至此，是不是以為TP4054芯片的電路解決方案，很完美地解決了單節(jié)鋰電池充電的問題了。它不僅完成了鋰電池的充電功能，還擁有充電狀態(tài)指示燈功能，并且還可以設定充電的電流大小。

No，No，No......

在實際開發(fā)電路項目的過程中，發(fā)現(xiàn)TP4054芯片，它不具有在鋰電池充滿的時候自動斷電功能；沒有自動斷電功能，引發(fā)的后果是在沒有被切斷充電器的電源時，鋰電池是一直被TP4054芯片在充電的。

這也是TP4054芯片的一個小小的不足之處。

TP4054芯片之所以有充電LED指示功能，就是用LED亮滅的變換提醒用戶，該手動切斷電源了，不然就是一直在充電哦。

鋰電池的保護電路

說完鋰電池的充電電路，接下來就要講講它的放電電路了。充電是從外界吸收電能，放電是向外界（負載）提供電能，這就是電池的使命。

鋰電池的放電過程，其實就是等效于電容的放電過程。電容兩端連接電阻負載，形成一個簡單的工作回路，如果外界不加以干涉，電容存儲的電量就會被一直消耗，直到電量為零。

顯然這樣的放電過程，對于鋰電池是完全不能接受的。鋰電池的電量放電為零，就等同于鋰電池兩端的電壓為零， 電池電量Q = 電池電容C * 電池電壓U。

因為鋰電池的電壓范圍是維持在3.0V ~ 4.2V，不能為零。如果鋰電池電壓由于負載的消耗變?yōu)榱?，鋰電池的壽命會呈現(xiàn)指數(shù)級衰減。

這就是引入鋰電池保護電路的原因。

理論雖如此，實際項目開發(fā)中該具體怎么操作呢？什么方案可以解決呢？

DW01芯片與8205 MOS管的電路設計方案就能較好地勝任。

DW01芯片與8205 MOS管應用電路

在DW01芯片與8205 MOS管應用電路圖中，BATT+屬于鋰電池放電的正極，BATT-屬于鋰電池放電的負極。

• Pin 1引腳 OD：DW01芯片的放電回路控制引腳，也就是控制M1MOS管的導通與關閉；

• Pin 2引腳 CS：DW01芯片的放電（充電）電流控制引腳，通過此引腳的設置，可以選擇放電（充電）的最大電流值；

• Pin 3引腳 OC：DW01芯片的充電回路控制引腳，也就是控制M2 MOS管的導通與關閉；

• Pin 4引腳 TD：DW01芯片的時間延長設置引腳，設定芯片的反應時間；

• Pin 5引腳 VCC：DW01芯片的工作電源輸入引腳，一般是通過一個電阻連接；

• Pin 6引腳 GND：DW01芯片的參考地引腳，作為公共地；

其中，8205是N溝道的雙MOS管，就是對應到電路圖中的兩個MOS管。

在鋰電池對外界放電的過程中，DW01芯片OD引腳控制M1 MOS管導通，OC引腳控制M2 MOS管關閉，此時鋰電池、M1 MOS管和 M2 MOS管內(nèi)部下面的二極管組成一個放電回路。

兩個重要參數(shù)不得不提，其一是鋰電池的放電電壓，其二是鋰電池的放電電流，它們是鋰電池保護電路的核心。

瀏覽DW01芯片的數(shù)據(jù)手冊，得知：

DW01芯片參數(shù)

放電保護電壓3.0V±0.1，放電電流檢測電壓150mV±30。

DW01芯片的放電保護電壓3.0V，正好與單節(jié)鋰電池的最低放電電壓3.0V吻合，似乎是天造地設的一對~~~

現(xiàn)在是否明白了為什么DW01芯片能對鋰電池放電起到保護的作用了吧。

還有一個保護的參數(shù)放電電流，這個參數(shù)咱們怎么去設定呢？要想根據(jù)實際的項目需求，設定鋰電池的放電電流，關鍵在于理解DW01芯片的應用電路本質(zhì)。

DW01芯片內(nèi)部電路圖

DW01芯片Pin 2引腳CS，內(nèi)部電路連接的是一個比較器，因此在鋰電池對外放電時，引腳CS兩端的電壓如果被檢測到超過150mV，那么就會通過關閉8205 MOS管而關閉鋰電池對外放電的回路，也就起到了過流保護功能。

剩下的問題就是引腳CS兩端的電壓150mV與鋰電池放電的電流量化大小關系了？

還是回到DW01芯片與8205 MOS管應用電路圖中，鋰電池、M1 MOS管和 M2 MOS管內(nèi)部下面的二極管構成一個完整的放電電路。

由于M1 MOS管的一端是連接鋰電池的負極GND，另外一端是連接DW01芯片的引腳CS，而DW01芯片的引腳CS檢測保護電壓是150mV，等同于M1 MOS管的兩端保護電壓是150mV。

再接著瀏覽8205 MOS管的數(shù)據(jù)手冊，查看它的內(nèi)部導通電阻是小于37mΩ。

8205 MOS管參數(shù)

DW01芯片的放電保護電流等于什么？等于引腳CS檢測保護電壓150mV 除以 8205 MOS管的導通內(nèi)阻 （小于37mΩ），也就是大約為5A。

至此DW01芯片的放電電壓保護以及電流保護原理已經(jīng)介紹好了。

鋰電池的總結

講述完鋰電池的充電電路原理，咱們可以選用TP4054芯片開發(fā)設計出鋰電池的充電方案。

講述完鋰電池的保護電路原理，咱們可以選用DW01芯片與8205 MOS管開發(fā)設計出鋰電池的保護電路方案。

充電方案與保護方案，二者不是獨立的，是互相依賴，共同才能組成一個完整的鋰電池充放電管理設計方案。將TP4054應用電路圖中的Pin 3引腳BAT電池正極與電池負極，連接到DW01芯片與8205 MOS管應用電路中的BATT+與BATT-，這樣就構成了一個功能完好的鋰電池充放電管理電路設計方案。