鋰離子電池的常態(tài)和保護(hù)電路原理詳解
電池在對(duì)負(fù)載放電過(guò)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(shí),控制IC則判斷為負(fù)載短路,其“DO"腳將迅速由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷?,使V1由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷,從而切斷放電回路,起到短路保護(hù)作用。短路保護(hù)的延時(shí)時(shí)間極短,通常小于7微秒。其工作原理與過(guò)電流保護(hù)類似,只是判斷方法不同,保護(hù)延時(shí)時(shí)間也不一樣。電路具有過(guò)充電保護(hù)、過(guò)放電保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)與短路保護(hù)功能,其工作原理分析如下:
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/227059.htm1、正常狀態(tài)
在正常狀態(tài)下電路中N1的“CO"與“DO"腳都輸出高電壓,兩個(gè)MOSFET都處于導(dǎo)通狀態(tài),電池可以自由地進(jìn)行充電和放電,由于MOSFET的導(dǎo)通阻抗很小,通常小于30毫歐,因此其導(dǎo)通電阻對(duì)電路的性能影響很小。 7|此狀態(tài)下保護(hù)電路的消耗電流為μA級(jí),通常小于7μA。
2、過(guò)充電保護(hù)
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(guò)程,電壓會(huì)上升到4.2V(根據(jù)正極材料不同,有的電池要求恒壓值為 4.1V),轉(zhuǎn)為恒壓充電,直至電流越來(lái)越小。 電池在被充電過(guò)程中,如果充電器電路失去控制,會(huì)使電池電壓超過(guò)4.2V后繼續(xù)恒流充電,此時(shí)電池電壓仍會(huì)繼續(xù)上升,當(dāng)電池電壓被充電至超過(guò)4.3V時(shí),電池的化學(xué)副反應(yīng)將加劇,會(huì)導(dǎo)致電池?fù)p壞或出現(xiàn)安全問(wèn)題。
在帶有保護(hù)電路的電池中,當(dāng)控制IC檢測(cè)到電池電壓達(dá)到4.28V(該值由控制IC決定,不同的IC有不同的值)時(shí),其“CO"腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷海筕2由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷,從而切斷了充電回路,使充電器無(wú)法再對(duì)電池進(jìn)行充電,起到過(guò)充電保護(hù)作用。而此時(shí)由于V2自帶的體二極管VD2的存在,電池可以通過(guò)該二極管對(duì)外部負(fù)載進(jìn)行放電。
在控制IC檢測(cè)到電池電壓超過(guò)4.28V至發(fā)出關(guān)斷V2信號(hào)之間,還有一段延時(shí)時(shí)間,該延時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)短由C3決定,通常設(shè)為1秒左右,以避免因干擾而造成誤判斷。3、過(guò)放電保護(hù)
電池在對(duì)外部負(fù)載放電過(guò)程中,其電壓會(huì)隨著放電過(guò)程逐漸降低,當(dāng)電池電壓降至2.5V時(shí),其容量已被完全放光,此時(shí)如果讓電池繼續(xù)對(duì)負(fù)載放電,將造成電池的永久性損壞。
在電池放電過(guò)程中,當(dāng)控制IC檢測(cè)到電池電壓低于2.3V(該值由控制IC決定,不同的IC有不同的值)時(shí),其“DO"腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷海筕1 由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷,從而切斷了放電回路,使電池?zé)o法再對(duì)負(fù)載進(jìn)行放電,起到過(guò)放電保護(hù)作用。而此時(shí)由于V1自帶的體二極管VD1的存在,充電器可以通過(guò)該二極管對(duì)電池進(jìn)行充電。
由于在過(guò)放電保護(hù)狀態(tài)下電池電壓不能再降低,因此要求保護(hù)電路的消耗電流極小,此時(shí)控制IC會(huì)進(jìn)入低功耗狀態(tài),整個(gè)保護(hù)電路耗電會(huì)小于0.1μA。
在控制IC檢測(cè)到電池電壓低于2.3V至發(fā)出關(guān)斷V1信號(hào)之間,也有一段延時(shí)時(shí)間,該延時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)短由C3決定,通常設(shè)為100毫秒左右,以避免因干擾而造成誤判斷。
4、過(guò)電流保護(hù)
由于鋰離子電池的化學(xué)特性,電池生產(chǎn)廠家規(guī)定了其放電電流最大不能超過(guò)2C(C=電池容量/小時(shí)),當(dāng)電池超過(guò)2C電流放電時(shí),將會(huì)導(dǎo)致電池的永久性損壞或出現(xiàn)安全問(wèn)題。
電池在對(duì)負(fù)載正常放電過(guò)程中,放電電流在經(jīng)過(guò)串聯(lián)的2個(gè)MOSFET時(shí),由于MOSFET的導(dǎo)通阻抗,會(huì)在其兩端產(chǎn)生一個(gè)電壓,該電壓值 U=I*RDS*2, RDS為單個(gè)MOSFET導(dǎo)通阻抗,控制IC上的“V-"腳對(duì)該電壓值進(jìn)行檢測(cè),若負(fù)載因某種原因?qū)е庐惓?,使回路電流增大,?dāng)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(shí),其“DO"腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷?,使V1由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷,從而切斷了放電回路,使回路中電流為零,起到過(guò)電流保護(hù)作用。
在控制IC檢測(cè)到過(guò)電流發(fā)生至發(fā)出關(guān)斷V1信號(hào)之間,也有一段延時(shí)時(shí)間,該延時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)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(guò)程中可知,其過(guò)電流檢測(cè)值大小不僅取決于控制IC的控制值,還取決于MOSFET的導(dǎo)通阻抗,當(dāng)MOSFET導(dǎo)通阻抗越大時(shí),對(duì)同樣的控制IC,其過(guò)電流保護(hù)值越小。5、短路保護(hù)
以上詳細(xì)闡述了單節(jié)鋰離子電池保護(hù)電路的工作原理,多節(jié)串聯(lián)鋰離子電池的保護(hù)原理與之類似,在此不再贅述,上面電路中所用的控制IC為日本理光公司的 R5421系列,在實(shí)際的電池保護(hù)電路中,還有許多其它類型的控制IC,如日本精工的S-8241系列、日本MITSUMI的MM3061系列、臺(tái)灣富晶的FS312和FS313系列、臺(tái)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(shù)上有所差別,有些控制IC為了節(jié)省外圍電路,將濾波電容和延時(shí)電容做到了芯片內(nèi)部,其外圍電路可以很少,如日本精工的S-8241系列。 除了控制IC外,電路中還有一個(gè)重要元件,就是MOSFET,它在電路中起著開(kāi)關(guān)的作用,由于它直接串接在電池與外部負(fù)載之間,因此它的導(dǎo)通阻抗對(duì)電池的性能有影響,當(dāng)選用的MOSFET較好時(shí),其導(dǎo)通阻抗很小,電池包的內(nèi)阻就小,帶載能力也強(qiáng),在放電時(shí)其消耗的電能也少。
隨著科技的發(fā)展,便攜式設(shè)備的體積越做越小,而隨著這種趨勢(shì),對(duì)鋰離子電池的保護(hù)電路體積的要求也越來(lái)越小,在這兩年已出現(xiàn)了將控制IC和MOSFET整合成一顆保護(hù)IC的產(chǎn)品,如DIALOG公司的DA7112系列,有的廠家甚至將整個(gè)保護(hù)電路封裝成一顆小尺寸的IC,如MITSUMI公司的產(chǎn)品。
評(píng)論