与镍镉镍氢电池不太一样锂电池必需考虑充电放电时.docx

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与镍镉镍氢电池不太一样锂电池必需考虑充电放电时

与镍镉、镍氢电池不太一样,锂电池必需考虑充电、放电时的平安性,以避免特性劣化.针对锂电池的过充、过放、过电流及短路爱惜很重要,因此通常都会在电池包内设计爱惜线路用以爱惜锂电池.

离子电池爱惜电路包括过度充电爱惜、过电流/短路爱惜和过放电爱惜,要求过充电爱惜高精度、爱惜IC功耗低、高耐压和零伏可充电等特性.

锂离子电池的爱惜电路是由爱惜IC及两颗功率MOSFET所组成,其中爱惜IC监视电池电压,当有过度充电及放电状态时切换到之外挂的功率MOSFET来爱惜电池,爱惜IC的功能有过度充电爱惜、过度放电爱惜和过电流/短路爱惜.

过度充电爱惜

过度充电爱惜IC的原理为:

当外部充电器对锂电池充电时,为避免因温度上升所致使的内压上升,需终止充电状态.现在,爱惜IC需检测电池电压,当抵达时（假设电池过充点为即激活过度充电爱惜,将功率MOS由开转为关断,进而截止充电.

另外,还必需注意因噪声所产生的过度充电检出误动作,以避免判定为过充爱惜.因此,需要设定延迟时刻,而且延迟时刻不能短于噪声的持续时刻.若是你的锂电池在充满后，放在充电器上也是白充。

而咱们谁都无法保证电池的充放电爱惜电路的特性永不转变和质量的万无一失，因此你的电池将长期处在危险的边缘彷徨。

这也是咱们反对长充电的另一个理由。

过度放电爱惜

在过度放电的情况下,电解液因分解而导致电池特性劣化,并造成充电次数的降低.采用锂电池保护IC可以避免过度放电现象发生,实现电池保护功能.

过度放电保护IC原理:

为了防止锂电池的过度放电状态,假设锂电池接上负载,当锂电池电压低于其过度放电电压检测点（假定为时将激活过度放电保护,使功率MOSFET由开转变为关断而截止放电,以避免电池过度放电现象发生,并将电池保持在低静态电流的待机模式,此时的电流仅.

当锂电池接上充电器,且此时锂电池电压高于过度放电电压时,过度放电保护功能方可解除.另外,考虑到脉冲放电的情况,过放电检测电路设有延迟时间以避免发生误动作.

过电流及短路电流

因为不明原因（放电时或正负极遭金属物误触）造成过电流或短路,为确保安全,必须使其立即停止放电.

过电流保护IC原理为,当放电电流过大或短路情况发生时,保护IC将激活过（短路）电流保护,此时过电流的检测是将功率MOSFET的Rds（on）当成感应阻抗用以监测其电压的下降情形,如果比所定的过电流检测电压还高则停止放电,计算公式为:

V-=I×Rds（on）×2（V-为过电流检测电压,I为放电电流）.假设V-=,Rds（on）=25mΩ,那么爱惜电流的大小为I=4A.

同样地,过电流检测也必须设有延迟时间以防有突发电流流入时发生误动作.

通常在过电流发生后,若能去除过电流因素（例如马上与负载脱离）,将会恢复其正常状态,可以再进行正常的充放电动作.

除了上述的锂电池保护IC功能之外,下面这些新的功能同样值得关注:

1.充电时的过电流爱惜

当连接充电器进行充电时突然发生过电流（如充电器损坏）,电路立即进行过电流检测,此时Cout将由高转为低,功率MOSFET由开转为关断,实现保护功能.

V-（Vdet4过电流检测电压,Vdet4为=I（充电电流）×Rds（on）×2

2.过度充电时的锁定模式

通常爱惜IC在过度充电爱惜时将通过一段延迟时刻,然后就会将功率MOSFET关断以达到爱惜的目的,当锂电池电压一直下降到解除点（过度充电滞后电压）时就会恢复,现在又会继续充电-爱惜-放电-充电-放电.这种状态的平安性问题将无法取得有效解决,锂电池将一直重复着充电-放电-充电-放电的动作,功率MOSFET的栅极将反复地处于高低电压交替状态,如此可能会使MOSFET变热,还会降低电池寿命,因此锁定模式很重要.假设锂电爱惜电路在检测到过度充电爱惜时有锁定模式,MOSFET将可不能变热,且平安性相对提高很多.

在过度充电保护之后,只要充电器连接在电池包上,此时将进入过充锁定模式.此时,即使锂电池电压下降也不会发生再充电的情形,将充电器移除并连接负载即可恢复充放电的状态.

3.减小爱惜电路组件尺寸

将过度充电和短路保护用的延迟电容集成到到保护IC里面,以减小保护电路组件尺寸.

对保护IC性能的要求

1.过度充电爱惜的高精度化

当锂离子电池有过度充电状态时,为避免因温度上升所致使的内压上升,须截止充电状态.爱惜IC将检测电池电压,当检测到过度充电时,那么过度充电检测的功率MOSFET使之关断而截止充电.现在应注意的是过度充电的检测电压的高精度化,在电池充电时,使电池充电到饱满的状态是利用者很关切的问题,同时兼顾到平安性问题,因此需要在达到允许电压时截止充电状态.要同时符合这两个条件,必需有高精度的检测器,目前检测器的精度为25mV,该精度将有待于进一步提高.

2.降低爱惜IC的耗电

随着利历时刻的增加,已充过电的锂离子电池电压会慢慢降低,最后低到规格标准值以下,现在就需要再度充电.假设未充电而继续利用,可能造成由于过度放电而使电池不能继续利用.为避免过度放电,爱惜IC必需检测电池电压,一旦达到过度放电检测电压以下,就得使放电一方的功率MOSFET关断而截止放电.但现在电池本身仍有自然放电及爱惜IC的消耗电流存在,因此需要使爱惜IC消耗的电流降到最低程度.

3.过电流/短路爱惜需有低检测电压及高精度的要求

因不明原因导致短路时必须立即停止放电.过电流的检测是以功率MOSFET的Rds（on）为感应阻抗,以监视其电压的下降,此时的电压若比过电流检测电压还高时即停止放电.为了使功率MOSFET的Rds（on）在充电电流与放电电流时有效应用,需使该阻抗值尽量低,目前该阻抗约为20mΩ~30mΩ,这样过电流检测电压就可较低.

4.耐高电压

电池包与充电器连接时刹时会有高压产生,因此爱惜IC应知足耐高压的要求.

5.低电池功耗

在爱惜状态时,其静态耗电流必需要小.

6.零伏可充电

有些电池在存放的过程中可能因为放太久或不正常的原因导致电压低到0V,故保护IC需要在0V时也可以实现充电.

保护IC发展展望

如前所述,未来保护IC将进一步提高检测电压的精度、降低保护IC的耗电流和提高误动作防止功能等,同时充电器连接端子的高耐压也是研发的重点.

在封装方面,目前已由SOT23-6逐渐转向SON6封装,将来还有CSP封装,甚至出现COB产品用以满足现在所强调的轻薄短小要求.

在功能方面,保护IC不需要集成所有的功能,可根据不同的锂电池材料开发出单一保护IC,如只有过充保护或过放保护功能,这样可以大大减少成本及尺寸.

当然,功能组件单晶体化是不变的目标,如目前手机制造商都朝向将保护IC、充电电路以及电源管理IC等外围电路与逻辑IC构成双芯片的芯片组,但目前要使功率MOSFET的开路阻抗降低,难以与其它IC集成,即使以特殊技术制成单芯片,恐怕成本将会过高.因此,保护IC的单晶体化将需一段时间来解决.

下页中的电路图为一个典型的锂离子电池爱惜电路原理图。

如图中所示，该爱惜回路由两个MOSFET（V一、V2）和一个操纵IC（N1）外加一些阻容元件组成。

操纵IC负责监测电池电压与回路电流，并操纵两个MOSFET的栅极，MOSFET在电路中起开关作用，别离操纵着充电回路与放电回路的导通与关断，C3为延时电容，该电路具有过充电爱惜、过放电爱惜、过电流爱惜与短路爱惜功能，其工作原理分析如下：

1、正常状态

在正常状态下电路中N1的“CO”与“DO”脚都输出高电压，两个MOSFET都处于导通状态，电池可以自由地进行充电和放电，由于MOSFET的导通阻抗很小，通常小于30毫欧，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。

二、过充电爱惜

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（根据正极材料不同，有的电池要求恒压值为，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IC检测到电池电压达到（该值由控制IC决定，不同的IC有不同的值）时，其“CO”脚将由高电压转变为零电压，使V2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V2自带的体二极管VD2的存在，电池能够通过该二极管对外部负载进行放电。

在控制IC检测到电池电压超过至发出关断V2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、过放电爱惜

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，当电池电压降至时，其容量已被完全放光，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IC检测到电池电压低于（该值由控制IC决定，不同的IC有不同的值）时，其“DO”脚将由高电压转变为零电压，使V1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V1自带的体二极管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IC会进入低功耗状态，整个保护电路耗电会小于μA。

在控制IC检测到电池电压低于至发出关断V1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100毫秒左右，以避免因干扰而造成误判断。

4、过电流爱惜

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最大不能超过2C（C=电池容量/小时），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MOSFET时，由于MOSFET的导通阻抗，会在其两端产生一个电压，该电压值U=I*RDS*2,RDS为单个MOSFET导通阻抗，控制IC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>（该值由控制IC决定，不同的IC有不同的值）时，其“DO”脚将由高电压转变为零电压，使V1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IC检测到过电流发生至发出关断V1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13毫秒左右，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IC的控制值，还取决于MOSFET的导通阻抗，当MOSFET导通阻抗越大时，对同样的控制IC，其过电流保护值越小。

五、短路爱惜

电池在对负载放电过程中，若回路电流大到使U>（该值由控制IC决定，不同的IC有不同的值）时，控制IC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V1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7微秒。

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。