基于MAX1666的Li+電池保護電路

摘要：詳細介紹了Li+電池的主要特性其在實際應(yīng)用中所需要保護的參數(shù)；結(jié)合Maxim公司生產(chǎn)的Li+電池保護器MAX1666，給出了具體的應(yīng)用電路。

關(guān)鍵詞：Li+電池 NiMH/NiCd 保護器 充電 放電 電流 電壓

近幾年來，隨著各種便攜式設(shè)計（如手機、筆記本電腦、攝像機、數(shù)碼相機、PDA等）的不斷推出，對電池的要求也隨之提高。以前，在這類應(yīng)用中，NiMH電池NiCd電池以其低價格占有較大優(yōu)勢；但隨著便攜式設(shè)備對體積/重量的要求越來越苛刻，工作和待機時間越來越長以及Li+電池成本的不斷降低，使Li+電池的優(yōu)勢性能在這類應(yīng)用中得以充分的展示，被廣大電子設(shè)計工程師和消費者所接受。預(yù)計隨著Li+電池性能的不斷提高和成本的進一步降低，Li+電池將在許多應(yīng)用中取代NiMH和NiCd電池。

Li+電池與NiMH/NiCd電池相比，其主要優(yōu)點表現(xiàn)在以下幾個方面：

·能量密度高

Li+電池的重量密度為90W-小時/千克，體積密度為210W-小時/升）；而LiMH電池和NiCd電池的重量密度分別為55W-小時/千克和50W-小時/千克，體積密度分別為180W-小時/升和140W-小時/升。從以上典型值可知，在相同電池容量的情況下，Li+電池的重量可以輕一倍，體積可以更??；換言之，如果在相同的電池重量下，Li+電池工作的時間可以多出一倍。

·單節(jié)電池電壓高

單節(jié)Li+電池的標稱電壓值為3.6V，而單節(jié)NiMH/NiCd電池的標稱電壓只有1.2V，僅相當于Li+電池電壓的1/3。正是由于Li+電池具有較高的輸出電壓（允許電壓范圍：2.7V～4.2V），所以目前已經(jīng)有許多微處理器被設(shè)計成工作于此電壓范圍，而無需額外的電壓轉(zhuǎn)換器，如TI的MSP430系列、Microchip的PIC16LCXX/PIC16LFXX系列，從而降低了系統(tǒng)成本。

·自放電小

Li+電池典型的自放電系數(shù)為5～10%/月（20℃）；而NiMh電池和NiCd電池的自放電系數(shù)分別為20～30%/月（20℃）和15～20%/月（20℃），并且在充電后幾天內(nèi)放電速率更快，同時放電速率也隨溫度升高而顯著增加。

·溫度特性好

Li+電池允許充電的溫度范圍為0～50℃，與NiMH/NiCd電池允許充電溫度范圍相同。但它們允許的快速充電溫度范圍卻不相，Li+電池快速充電溫度范圍為+2.5℃～+47.5℃，而NiMH/NiCd電池只有10～40℃的快速充電范圍。在充電時，若溫度>40℃，Li+電池充電效率幾乎不變；而NiMH/NiCd電池需要200～300%的電池總能量才能充滿電池。在放電時，Li+電池允許的工作溫度范圍為-20℃～+60℃，并且在這個溫度范圍內(nèi)，其輸出的電池總?cè)萘繋缀醪蛔儯?℃時輸出電池總?cè)萘康?0%左右；-20℃時為總?cè)萘康?0%；而對于NiMH/NiCd電池來說，其放電容量隨溫度變化較大，尤其是在高溫時性能更差，例如在40℃時，只能輸出總?cè)萘康?0%左右。

但是Li+電池也有自身的缺陷，例如在電池過充電或過放電時，電池可能完全損壞等。

本文鈄針對Li+電池的特性，采用Maxim公司的Li+電池組保護器，提供一個具有優(yōu)異性能/價格比、功能完善的Li+電池組保護器的設(shè)計方案。若用戶采用的單節(jié)Li+電池，可參考使用RICOH公司的RN5VM1XXC/D系列的單節(jié)Li+電池保護器，由于篇幅的原因，不再贅述。

1 Li+電池的放電/充電及其保護

當Li+電池工作在放電狀態(tài)時，應(yīng)該避免電池過放電（電壓低于2.4V；實際使用時，最低電壓一般設(shè)定在2.7V以上），否則將導(dǎo)致內(nèi)部電極氧化，使電池完全損壞；另外，由于Li+電池有較高的能量密度，絕對禁止輸出短路或過流，否則將導(dǎo)致電池內(nèi)部著火，甚至引起爆炸。圖1是Li+電池典型的放電曲線。

當對Li+電池充電時，應(yīng)該保證在快速充電之前，電池電壓高于2.5V，否則會損壞電池；若不滿足此條件，則最好采用小于1/10cA的充電電流預(yù)充至2.5V或2.5V以上，再進入快速充電狀態(tài)。在快速充電過程中，采用限流方式充電，電流一般小于1cA；一旦達到電壓調(diào)節(jié)點4.2V±50mV，即進入恒壓充電方式（多數(shù)Li+電池生產(chǎn)廠家建議憐惜速充電電流小于1cA，恒壓充電電壓為4.2V±50mV，這里指負極為硬炭的Li+電池；而對于負極為石墨的Li+電池來說，則為4.1V，正電極都為氧化鈷鋰），當充電電流降低至1/10cA以下時，可以認為滿充結(jié)束。對于Li+電池來說，如果過充電，即電池電壓高于4.2V，內(nèi)部電極也將引起氧化，導(dǎo)致電池容量降低或完全損壞，這也是為什么Li+電池采恒流-恒壓充電的原因。圖2是Li+電池充電的電流和電壓典型曲線。

依據(jù)上述Li+電池的充電/放電特性，一款功能完善的Li+電池保護電路必須具備以下保護功能：

（1）過壓保護，防止電池過充電電；

（2）欠壓保護，防止電池過放電；

（3）充電限流保護；

（4）放電限流/短路保護；

（5）對于Li+電池組的應(yīng)用，每節(jié)電池電壓是否匹配檢測和保護。

另外，如果Li+電池充電器沒有小電池預(yù)充功能，則保護器應(yīng)該具備涓流充電功能，即在電池電壓過低時，充電/放電通道已被禁止，而允許涓流預(yù)充電池，使電池電壓上升，以達到快速充電的條件。

2 MAX1666主要特性及其典型應(yīng)用

MAX1666S/V/X是一種功能完善、配置靈活的2/3/4節(jié)Li+電池組保護器。用戶能夠根據(jù)實際情況，精確的設(shè)定各保護參數(shù)的門限值，為Li+電池組提供更為可靠地保護；另外，MAX1666還提供電池間電壓不平衡保護、涓流充電以及電池組的狀態(tài)輸出。MAX1666主要電氣特性：最高+28V工作電壓、工作電流28μA、待機電流小于1μA，采用節(jié)省空間的QSOP封裝。圖3是MAX1666X的典型應(yīng)用電路。

MAX1666提供的電流/電壓保護及其保護門限設(shè)定方法如下：

（1）過壓保護

電池過壓保護門限VOVT設(shè)定范圍：+4.0V～+4.4V，精度±0.5%。OVA引腳連接至R1和R2組成的REF分壓器端，則過壓保護門限VOVT滿足以下方程：

R2=[(VOVT-4V)/(4.4V-4V)]×RTOTAL

R1=RTOTAL-R2，可以取RTOTAL=1MΩ

當過壓保護發(fā)生作用時，充電和涓流對應(yīng)的兩個P-MOSFET均關(guān)閉，同時輸出報警信號。

（2）欠壓保護

電池欠墳保護門限VUVT設(shè)定范圍：+2.0V～+3.0V，精度±2.5%。UVA引腳連接至R3和R4組成REF分壓器端，則欠壓保護門限VUVT滿足以下方程：

R4=[(VUVT-2V)]/(3V-2V)]×RTOTAL

R3=RTOTAL-R4,可以取RTOTAL=1MΩ

當欠壓保護發(fā)生作用時，放電和充電對應(yīng)的兩個P-MOSFET均關(guān)閉，但涓流對尖的P-MOSFET仍然保持開通。欠壓報警信號WRN在電池電壓低于VUVT+100mV輸出，高時VUVT+300mV解除。

（3）

電池間電壓不平衡保護

電池間電壓不平衡保護門限VCMT設(shè)定范圍：0mV～500mV，精度±10%。MMA引腳連接至R5和R6組成的REF分壓器端，則VCMT滿足以下方程：

R6=(VCMT/500)×RTOTAL

R5=RTOTAL-R^，可以取RTOTAL=1MΩ

當任何兩節(jié)電池的電壓差超出此保護門限時，涓流充電、快速充電和放電對應(yīng)的三個P-MOSFET均關(guān)閉，保護器輸出電池組失效信號PKF。

（4）充電/放電過流保護

充電過流保護門限：GND比PKN電動勢高200mV，對應(yīng)電流=200mV/RSENSE；放電過流保護門限：PKN比GND電動勢高300mV，對應(yīng)電流=300mV/RSENSE。

當過流情況發(fā)生時，充電和放電對應(yīng)的P-MOSFET關(guān)斷。同時啟動內(nèi)部559ms的定時器，550ms后，再次打開MOSFET，以便檢測過流情況是否存在。如果故障仍然存在，則殖民地次關(guān)閉MOSFET，此過程不斷重復(fù)進行。

圖3為四節(jié)Li+電池組提供功能完善、性能可靠的電池電壓/電流保護。圖中設(shè)定的各參數(shù)的保護門限分別為：

VOVT=4.2V,VUVT=2.5V,VCMT=250mV,充電電流門限=4A,放電電流門限=6A.

實際使用中，可根據(jù)Li+電池組具體參數(shù)進行調(diào)整。另外，調(diào)整電阻R8（270Ω），可以設(shè)定涓流充電電流。，以條例實際Li+電池所允許的預(yù)充電流及續(xù)充電流。圖中的三個P-MOSFET可采用IRF7404、IRF7406、Si4431或其它參數(shù)相似的型號。