鋰電池保護板工作原理

作者：深圳邁烽電子科技有限公司

第一章 保護板的構(gòu)成和主要作用

本文主要介紹鋰電池保護板的構(gòu)成，電池保護板的主要作用，工作原理。以及生產(chǎn)的單節(jié)鋰電池保護線路的應(yīng)用范圍，電性能參數(shù)，主要材料，尺寸規(guī)格，等項目的相關(guān)內(nèi)容。本規(guī)格書所描述的所有項目標(biāo)準可作為品質(zhì)檢驗標(biāo)準及依據(jù)。

2 產(chǎn)品應(yīng)用范圍

（1）液態(tài)鋰離子可充電電池；

（2）聚合物鋰離子可充電電池。

一、保護板的構(gòu)成

鋰電池（可充型）之所以需要保護，是由它本身特性決定的。由于鋰電池本身的材料決定了它不能被過充、過放、過流、短路及超高溫充放電，因此鋰電池鋰電組件總會跟著一塊精致的保護板和一片電流保險器出現(xiàn)。鋰電池的保護功能通常由保護電路板和PT協(xié)同完成，保護板是由電子電路組成，在-40℃至+85℃的環(huán)境下時刻準確的監(jiān)視電芯的電壓和充放回路的電流，即時控制電流回路的通斷；PTC在高溫環(huán)境下防止電池發(fā)生惡劣的損壞。

保護板通常包括控制IC、MOS開關(guān)、電阻、電容及輔助器件NTC、ID存儲器等。其中控制IC，在一切正常的情況下控制MOS開關(guān)導(dǎo)通，使電芯與外電路溝通，而當(dāng)電芯電壓或回路電流超過規(guī)定值時，它立刻（數(shù)十毫秒）控制MOS開關(guān)關(guān)斷，保護電芯的安全。NTC是Negative temperature coefficient的縮寫，意即負溫度系數(shù)，在環(huán)境溫度升高時，其阻值降低，使用電設(shè)備或充電設(shè)備及時反應(yīng)、控制內(nèi)部中斷而停止充放電。ID 存儲器常為單線接口存儲器，ID是Identification 的縮寫即身份識別的意思，存儲電池種類、生產(chǎn)日期等信息?？善鸬疆a(chǎn)品的可追溯和應(yīng)用的限制。

二、保護板的主要作用

一般要求在-25℃～85℃時Control(IC)檢測控制電芯電壓與充放電回路的工作電流、電壓，在一切正常情況下C-MOS開關(guān)管導(dǎo)通，使電芯與保護電路板處于正常工作狀態(tài)，而當(dāng)電芯電壓或回路中的工作電流超過控制IC中比較電路預(yù)設(shè)值時，在15～30ms內(nèi)（不同控制IC與C-MOS有不同的響應(yīng)時間），將CMOS關(guān)斷，即關(guān)閉電芯放電或充電回路，以保證使用者與電芯的安全。

第二章 保護板的工作原理

保護板的工作原理圖：

如圖中，IC由電芯供電，電壓在2v－5v均能保證可靠工作。

1、過充保護及過充保護恢復(fù)

當(dāng)電池被充電使電壓超過設(shè)定值VC(4.25-4.35V，具體過充保護電壓取決于IC)后，VD1翻轉(zhuǎn)使Cout變?yōu)榈碗娖?，T1截止，充電停止.當(dāng)電池電壓回落至VCR(3.8-4.1V，具體過充保護恢復(fù)電壓取決于IC)時，Cout變?yōu)楦唠娖?，T1導(dǎo)通充電繼續(xù)， VCR必須小于VC一個定值，以防止頻繁跳變。

2、過放保護及過放保護恢復(fù)

當(dāng)電池電壓因放電而降低至設(shè)定值VD（2.3-2.5V，具體過充保護電壓取決于IC）時， VD2翻轉(zhuǎn)，以短時間延時后，使Dout變?yōu)榈碗娖?，T2截止，放電停止，當(dāng)電池被置于充電時，內(nèi)部或門被翻轉(zhuǎn)而使T2再次導(dǎo)通為下次放電作好準備。

3、過流、短路保護

當(dāng)電路充放回路電流超過設(shè)定值或被短路時，短路檢測電路動作，使MOS管關(guān)斷，電流截止。

第三章 保護板主要零件的功能介紹

R1：基準供電電阻；與IC內(nèi)部電阻構(gòu)成分壓電路，控制內(nèi)部過充、過放電壓比較器的電平翻轉(zhuǎn)；一般在阻值為330Ω、470Ω比較多；當(dāng)封裝形式（即用標(biāo)準元件的長和寬來表示元件大小，如0402封裝標(biāo)識此元件的長和寬分別為1.0mm和0.5mm）較大時，會用數(shù)字標(biāo)識其阻值，如貼片電阻上數(shù)字標(biāo)識473， 即表示其阻值為47000Ω即47KΩ（第三位數(shù)表示在前兩位后面加0的位數(shù)）。R2：過流、短路檢測電阻；通過檢測VM端電壓控制保護板的電流 ，焊接不良、損壞會造成電池過流 、短路無保護，一般阻值為1KΩ、2KΩ較多。R3：ID識別電阻或NTC電阻（前面有介紹）或兩者都有?？偨Y(jié)：電阻在保護板中為黑色貼片，用萬用表可測其阻值，當(dāng)封裝較大時其阻值會用數(shù)字表示，表示方法如上所述，當(dāng)然電阻阻值一般都有偏差，每個電阻都有精度規(guī)格，如10KΩ電阻規(guī)格為+/－5％精度則其阻值為9.5KΩ －10.5KΩ范圍內(nèi)都為合格。C1、C2：由于電容兩端電壓不能突變，起瞬間穩(wěn)壓和濾波作用。

總結(jié)：電容在保護板中為黃色貼片，封裝形式0402較多，也有少數(shù)0603封裝(1.6mm長,0.8mm寬)；用萬用表檢測其阻值一般為無窮大或MΩ級別；電容漏電會產(chǎn)生自耗電大，短路無自恢復(fù)現(xiàn)象。FUSE：普通FUSE或PTC（Positive Temperature Coefficient的縮寫，意思是正溫度系數(shù)）；防止不安全大電流和高溫放電的發(fā)生，其中PTC有自恢復(fù)功能。

總結(jié)：FUSE在保護板中一般為白色貼片，LITTE公司提供FUSE會在FUSE上標(biāo)識字符D-T，字符表示意思為FUSE能承受的額定電流，如表示D額定電流為0.25A，S為4A，T為5A等；現(xiàn)我司所有較多為額定電流為5A的FUSE，即在本體上標(biāo)識字符’T’。

U1：控制IC；保護板所有功能都是IC通過監(jiān)視連接在VDD-VSS間的電壓差及VM-VSS間的電壓差而控制C-MOS執(zhí)行開關(guān)動作來實現(xiàn)的。

Cout：過充控制端；通過MOS管T2柵極電壓控制MOS管的開關(guān)。

Dout：過放、過流、短路控制端；通過MOS管T1柵極電壓控制MOS管的開關(guān)。

VM：過流、短路保護電壓檢測端；通過檢測VM端的電壓實現(xiàn)電路的過流、短路保護（U（VM）=I*R（MOSFET））。

總結(jié)：IC在保護板中一般為6個管腳的封裝形式，其區(qū)別管腳的方法為：在封裝體上標(biāo)識黑點的附近為第1管腳，然后逆時針旋轉(zhuǎn)分別為第2、3、4、5、6管腳；如封裝體上無黑點標(biāo)識，則正看封裝體上字符左下為第1管腳，其余管腳逆時針類推）C-MOS：場效應(yīng)開關(guān)管；保護功能的實現(xiàn)者 ；連焊、虛焊、假焊、擊穿時會造成電池?zé)o保護、無顯示、輸出電壓低等不良現(xiàn)象。總結(jié)：CMOS在保護板中

一般為8個管腳的封裝形式，它時由兩個MOS管構(gòu)成，相當(dāng)于兩個開關(guān)，分別控制過充保護和過放、過流、短路保護；其管腳區(qū)分方法和IC一樣。

在保護板正常情況下，Vdd為高電平，Vss、VM為低電平，Dout、Cout為高電平；當(dāng)Vdd、Vss、VM任何一項參數(shù)變換時，Dout或Cout的電平將發(fā)生變化，此時MOSFET執(zhí)行相應(yīng)的動作（開、關(guān)電路），從而實現(xiàn)電路的保護和恢復(fù)功能。

第四章 保護板主要性能測試方法

1．NTC電阻測試：

用萬用表直接測量NTC電阻值，再與《溫度變化與NTC阻值對照指導(dǎo)》對比。

2．識別電阻測試：

用萬用表直接測量識別電阻值，再與《保護板重要項目管理表》對比。

3.自耗電測試：

調(diào)恒流源為3.7V/500mA；萬用表設(shè)置為uA檔，表筆插入uA接孔，然后與恒流源串聯(lián)起來接保護板B+、B-如下圖所示：此時萬用表的讀數(shù)即為保護板的自耗電，如無讀數(shù)用鑷子或錫線短接B-、P-，

激活電路。

4.短路保護測試：

電芯接到保護板B+、B-上，用鑷子或錫線短接B-、P-，再短接P+、P-；短路后用萬用表測保護板開

路電壓（如下圖所示）；反復(fù)短接3-5次，此時萬用表讀數(shù)應(yīng)與電芯一致，保護板應(yīng)無冒煙、爆裂等現(xiàn)象。

如上圖所示接好電路，按照重要項目管理表設(shè)置好鋰易安數(shù)據(jù)，再按自動按鈕，接好后按紅表筆上的按鈕進行測試。此時鋰易安測試儀的燈應(yīng)逐次點亮，表示性能OK。按顯示鍵檢查測試數(shù)據(jù)：‘Chg’表示過充保護電壓；‘Dis’表過放保護電壓；‘Ocur’表示過流保護電流。

第五章 保護板常見不良分析

一、 無顯示、輸出電壓低、帶不起負載：

此類不良首先排除電芯不良（電芯本來無電壓或電壓低），如果電芯不良則應(yīng)測試保護板的自耗電，看是否是保護板自耗電過大導(dǎo)致電芯電壓低。如果電芯電壓正常，則是由于保護板整個回路不通（元器件虛焊、假焊、FUSE不良、PCB板內(nèi)部電路不通、過孔不通、MOS、IC損壞等）。具體分析

步驟如下：

（一）、用萬用表黑表筆接電芯負極，紅表筆依次接FUSE、R1電阻兩端，IC的Vdd、Dout、Cout端，P+端（假設(shè)電芯電壓為3.8V），逐段進行分析，此幾個測試點都應(yīng)為3.8V。若不是，則此段電路有問題。

1. FUSE兩端電壓有變化：測試FUSE是否導(dǎo)通，若導(dǎo)通則是PCB板內(nèi)部電路不通；若不導(dǎo)通則FUSE

有問題（來料不良、過流損壞（MOS或IC控制失效）、材質(zhì)有問題（在MOS或IC動作之前FUSE被燒壞），然后用導(dǎo)線短接FUSE，繼續(xù)往后分析。

2. R1電阻兩端電壓有變化：測試R1電阻值，若電阻值異常，則可能是虛焊，電阻本身斷裂。若電阻值無異常，則可能是IC內(nèi)部電阻出現(xiàn)問題。

3. IC測試端電壓有變化：Vdd端與R1電阻相連。Dout、Cout端異常,則是由于IC虛焊或損壞。

4. 若前面電壓都無變化，測試B-到P+間的電壓異常，則是由于保護板正極過孔不通。

（二）、萬用表紅表筆接電芯正極，激活MOS管后，黑表筆依次接MOS管2、3腳，6、7腳，P-端。

1.MOS管2、3腳，6、7腳電壓有變化,則表示MOS管異常。

2.若MOS管電壓無變化，P-端電壓異常，則是由于保護板負極過孔不通。

二、 短路無保護：

1. VM端電阻出現(xiàn)問題：可用萬用表一表筆接IC2腳，一表筆接與VM端電阻相連的MOS管管腳，確認

其電阻值大小?？措娮枧cIC、MOS管腳有無虛焊。

2. IC、MOS異常：由于過放保護與過流、短路保護共用一個MOS管，若短路異常是由于MOS出現(xiàn)問題，則此板應(yīng)無過放保護功能。

3. 以上為正常狀況下的不良，也可能出現(xiàn)IC與MOS配置不良引起的短路異常。如前期出現(xiàn)的BK-901，其型號為‘312D’的IC內(nèi)延遲時間過長，導(dǎo)致在IC作出相應(yīng)動作控制之前MOS或其它元器件已被損壞。

注：其中確定IC或MOS是否發(fā)生異常最簡易、直接的方法就是對有懷疑的元器件進行更換。

三、 短路保護無自恢復(fù)：

1. 設(shè)計時所用IC本來沒有自恢復(fù)功能,如G2J，G2Z等。

2. 儀器設(shè)置短路恢復(fù)時間過短，或短路測試時未將負載移開，如用萬用表電壓檔進行短路表筆短接后未將表筆從測試端移開（萬用表相當(dāng)于一個幾兆的負載）。

3. P+、P-間漏電，如焊盤之間存在帶雜質(zhì)的松香，帶雜質(zhì)的黃膠或P+、P-間電容被擊穿,IC Vdd到Vss間被擊穿.（阻值只有幾K到幾百K）.

4. 如果以上都沒問題，可能IC被擊穿，可測試IC各管腳之間阻值。

四、 內(nèi)阻大：

1. 由于MOS內(nèi)阻相對比較穩(wěn)定，出現(xiàn)內(nèi)阻大情況，首先懷疑的應(yīng)該是FUSE或PTC這些內(nèi)阻相對比較容易發(fā)生變化的元器件。

2. 如果FUSE或PTC阻值正常，則視保護板結(jié)構(gòu)檢測P+、P-焊盤與元器件面之間的過孔阻值，可能過孔出現(xiàn)微斷現(xiàn)象，阻值較大。

3. 如果以上多沒有問題，就要懷疑MOS是否出現(xiàn)異常：首先確定焊接有沒有問題；其次看板的厚度（是否容易彎折），因為彎折時可能導(dǎo)致管腳焊接處異常；再將MOS管放到顯微鏡下觀測是否破裂；最后用萬用表測試MOS管腳阻值，看是否被擊穿。

五、 ID異常：

1. ID電阻本身由于虛焊、斷裂或因電阻材質(zhì)不過關(guān)而出現(xiàn)異常：可重新焊接電阻兩端，若重焊后ID正常則是電阻虛焊，若斷裂則電阻會在重焊后從中裂開。

2. ID過孔不導(dǎo)通：可用萬用表測試過孔兩端。

3. 內(nèi)部線路出現(xiàn)問題：可刮開阻焊漆看內(nèi)部電路有無斷開、短路現(xiàn)象。

作者：深圳邁烽電子科技有限公司