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锂电池保护电路原理

2020/07/21
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最近忙着出货处理,所以一直没有更新,今天看到留言里有个朋友说公司是做锂电池的,据我所知,目前我们手机使用的应该都是化合物电池,而锂电池应该在之前几年比较流行,像是 MP3 播放器,PDA,数码摄像机等等。

这个朋友留言问锂电池里面的线路板起什么作用,这个线路板的基本作用就是保护,但是为了更加清楚的了解原理,我们需要了解锂电池的组成和工作。

锂电池也分为两种,一种是可充电的二次电池,我们称为锂离子电池,一般使用在我们以前的笔记本电脑,手机,PDA 等价格比较高的产品中,另一种是不可充电的一次电池,我们也称为锂电池,一般使用在耗电量低的便携式电子产品中。

锂离子电池在正常使用时,电池内部的化学能和电能进行互相转化,但是如果我们过充、过放或者过流都会导致电池内部化学能产生副反应,之后在使用过程中会严重影响电池的性能与使用寿命,并可能产生大量气体,使电池内部压力迅速增大后爆炸,就是为了防止这些问题发生,所以锂离子电池内部都设有一块保护线路。

我从网上下载了一个比较常见的锂离子电池保护线路,如下图所示:

 

这个保护线路是由两个 MOS 管 V1、V2 和一个控制 IC 外加一些阻容元器件共同构成,控制芯片负责检测电池电压与回路电流,并控制两个 MOS 的栅极、MOS 管在电路中起到开关作用,分别控制着充电回路和放电回路的导通和关断,C3 为延时电容,这个电路看着简单,但是却具有过充电保护、过放电保护、过电流保护短路保护的功能。

在电池正常状态下,电路中 N1 的 CO 和 DO 都处于高电位,两个 MOS 管都处于导通状态,电池可以自由的进行充放电。

在电池处于过充过程中,如果充电器电路失去控制,在没有保护线路时,电池电压超过 4.2 后继续恒流充电,当电压超过 4.3V 时,电池的化学负反应会加剧,会导致电池损坏或出现安全问题。

但是在带有保护线路的锂离子电池中,当控制芯片检测到电池电压达到芯片内部设置的一个值时,CO 脚会由高电位转换为零电压,V2 就会从导通转为关断,从而切断充电回路,使充电器无法再对电池进行充电操作,起到了保护作用。而且由于 V2 自带二极管 VD2 的存在,所以电池可以通过二极管对外部负载进行放电。

为了避免芯片出现误判动作,所以在电池电压超过芯片设定的一个值后到关断 MOS 管之间有一个缓冲时间,这个时间是由 C3 决定的,依照标准,一般设定为 1 秒。

过放电操作主要是芯片检测到电池电压低于某一个设定值后,DO 的电压由高电位转化为零电压,V1 由导通转为截止,从而切断了放电的回路,电池无法对负载进行放电操作,但是 V1 自带二极管 VD1,所以充电器可以通过这个二极管对电池进行充电操作。

过流保护依靠的是芯片上的 V- 脚对回路电流进行检测,如果电流大到设定值后,V1 也会自动翻转截止。

短路保护则是判断电池瞬时电流大于某一个值时,就会自动触发短路保护机制,DO 则会进行翻转,V1 进行关断操作。      

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公众号开关电源解析主笔,开关电源工程师,从事电源行业8年,擅长高功率工业电源的设计调试,主要关注领域为集成电路,数字电路,人工智能电源等等,目前专注于手机充电器和液晶显示器的领域,希望分享自己的电源知识,为想要从事电源行业的人才提供一个敲门砖。