充電機(jī)充電鋰電池保護(hù)板原理
2018-7-16 14:36:31??????點擊：
充電機(jī)充電鋰電池(可充型)之所以需要保護(hù)，是由它本身特性決定的。由于充電機(jī)充電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，因此充電機(jī)充電鋰電池鋰電組件總會跟著一塊精致的保護(hù)板和一片電流保險器出現(xiàn)。
充電機(jī)充電鋰電池的保護(hù)功能通常由保護(hù)電路板和PTC等電流器件協(xié)同完成，保護(hù)板是由電子電路組成，在-40℃至+85℃的環(huán)境下時刻準(zhǔn)確的監(jiān)視電芯的電壓和充放回路的電流，及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。
普通充電機(jī)充電鋰電池保護(hù)板通常包括控制IC、MOS開關(guān)、電阻、電容及輔助器件FUSE、PTC、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，使電芯與外電路導(dǎo)通，而當(dāng)電芯電壓或回路電流超過規(guī)定值時，它立刻控制MOS開關(guān)關(guān)斷，保護(hù)電芯的安全。
在保護(hù)板正常的情況下，Vdd為高電平，Vss,VM為低電平，DO、CO為高電平，當(dāng)Vdd,Vss,VM任何一項參數(shù)變換時，DO或CO端的電平將發(fā)生變化。
1、過充電檢出電壓：在通常狀態(tài)下，Vdd逐漸提升至CO端由高電平 變?yōu)榈碗娖綍rVDD-VSS間電壓。
2、過充電解除電壓：在充電狀態(tài)下，Vdd逐漸降低至CO端由低電平 變?yōu)楦唠娖綍rVDD-VSS間電壓。
3、過放電檢出電壓：通常狀態(tài)下，Vdd逐漸降低至D O端由高電平 變?yōu)榈碗娖綍rVDD- VSS間電壓。
4、過放電解除電壓：在過放電狀態(tài)下，Vdd逐漸上升到DO端由低電平 變?yōu)楦唠娖綍r VDD-VSS間電壓 。
5、過電流1檢出電壓：在通常狀態(tài)下，VM逐漸升至DO由高電平 變?yōu)榈碗娖綍rVM-VSS間電壓。
6、過電流2檢出電壓：在通常狀態(tài)下，VM從OV起以1ms以上4ms以下的速度升到 DO端由高電平變?yōu)榈碗娖綍rVM-VSS間電壓。
7、負(fù)載短路檢出電壓：在通常狀態(tài)下，VM以O(shè)V起以1μS以上50μS以下的速度升至DO端由高電平變?yōu)榈碗娖綍rVM-VSS間電壓。
8、充電器檢出電壓：在過放電狀態(tài)下，VM以O(shè)V逐漸下降至DO由低電平變?yōu)樽優(yōu)楦唠娖綍rVM-VSS間電壓。
9、通常工作時消耗電流：在通常狀態(tài)下，流以VDD端子的電流（IDD）即為通常工作時消耗電流。
10、過放電消耗電流：在放電狀態(tài)下，流經(jīng)VDD端子的電流（IDD）即為過流放電消耗電流。
1、通常狀態(tài)：電池電壓在過放電檢出電壓以上（2.75V以上），過充電檢出電壓以下（4.3V以下），VM端子的電壓在充電器檢出電壓以上，在過電流/檢出電壓以下（OV）的情況下，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MOS管，DO、CO端都為高電平，MOS管處導(dǎo)通狀態(tài)，這時可以自由的充電和放電；
當(dāng)電池被充電使電壓超過設(shè)定值VC(4.25-4.35V)后，VD1翻轉(zhuǎn)使Cout變?yōu)榈碗娖剑琓1截止，充電停止，當(dāng)電池電壓回落至VCR(3.8-4.1V)時，Cout變?yōu)楦唠娖剑琓1導(dǎo)通充電繼續(xù)， VCR小于VC一個定值，以防止電流頻繁跳變。
當(dāng)電池電壓因放電而降低至設(shè)定值VD（2.3-2.5V）時， VD2翻轉(zhuǎn)，以IC內(nèi)部固定的短時間延時后，使Dout變?yōu)榈碗娖剑琓2截止，放電停止。
當(dāng)電路放電電流超過設(shè)定值或輸出被短路時，過流、短路檢測電路動作，使MOS管（T2）關(guān)斷，電流截止。
該保護(hù)回路由兩個MOSFET（T1、T2）和一個控制IC（N1）外加一些阻容元件構(gòu)成。控制
IC負(fù)責(zé)監(jiān)測電池電壓與回路電流，并控制兩個MOSFET的柵極，MOSFET在電路中起開關(guān)作用，分別控
制著充電回路與放電回路的導(dǎo)通與關(guān)斷，C2為延時電容，該電路具有過充電保護(hù)、過放電保護(hù)、過電流保
護(hù)與短路保護(hù)功能，其工作原理分析如下：
1、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)通電阻對電路的性能影響很小。
此狀態(tài)下保護(hù)電路的消耗電流為μA級，通常小于7μA。
2、過充電保護(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，隨著充電過程，電壓會上升到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，直至電流越來越小。
電池在被充電過程中，如果充電器電路失去控制，會使電池電壓超過4.2V后繼續(xù)恒流充電，此時電池電壓仍會繼續(xù)上升，當(dāng)電池電壓被充電至超過4.3V時，電池的化學(xué)副反應(yīng)將加劇，會導(dǎo)致電池?fù)p壞或出現(xiàn)安全問題。
在帶有保護(hù)電路的電池中，當(dāng)控制IC檢測到電池電壓達(dá)到4.28V（該值由控制IC決定，不同的IC有不同的值）時，其“CO”腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷海筎1由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷了充電回路，使充電器無法再對電池進(jìn)行充電，起到過充電保護(hù)作用。而此時由于T1自帶的體二極管VD1的存在，電池可以通過該二極管對外部負(fù)載進(jìn)行放電。
在控制IC檢測到電池電壓超過4.28V至發(fā)出關(guān)斷T1信號之間，還有一段延時時間，該延時時間的長短由C2決定，通常設(shè)為1秒左右，以避免因干擾而造成誤判斷。
3、過放電保護(hù)
電池在對外部負(fù)載放電過程中，其電壓會隨著放電過程逐漸降低，當(dāng)電池電壓降至2.5V時，其容量已被完全放光，此時如果讓電池繼續(xù)對負(fù)載放電，將造成電池的永久性損壞。
在電池放電過程中，當(dāng)控制IC檢測到電池電壓低于2.3V（該值由控制IC決定，不同的IC有不同的值）時，其“DO”腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷海筎2由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷了放電回路，使電池?zé)o法再對負(fù)載進(jìn)行放電，起到過放電保護(hù)作用。而此時由于T2自帶的體二極管VD2的存在，充電器可以通過該二極管對電池進(jìn)行充電。
由于在過放電保護(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，此時控制IC會進(jìn)入低功耗狀態(tài)，整個保護(hù)電路耗電會小于0.1μA。 在控制IC檢測到電池電壓低于2.3V至發(fā)出關(guān)斷T2信號之間，也有一段延時時間，該延時時間的長短由C2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2C（C=電池容量/小時），當(dāng)電池超過2C電流放電時，將會導(dǎo)致電池的永久性損壞或出現(xiàn)安全問題。
電池在對負(fù)載正常放電過程中，放電電流在經(jīng)過串聯(lián)的2個MOSFET時，由于MOSFET的導(dǎo)通阻抗，會在其兩端產(chǎn)生一個電壓，該電壓值U=I*RDS*2, RDS為單個MOSFET導(dǎo)通阻抗，控制IC上的“V-”腳對該電壓值進(jìn)行檢測，若負(fù)載因某種原因?qū)е庐惓＃够芈冯娏髟龃螅?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，其“DO”腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷海筎2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，起到過電流保護(hù)作用。
在控制IC檢測到過電流發(fā)生至發(fā)出關(guān)斷T2信號之間，也有一段延時時間，該延時時間的長短由C2決定，通常為13毫秒左右，以避免因干擾而造成誤判斷。
在上述控制過程中可知，其過電流檢測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，對同樣的控制IC，其過電流保護(hù)值越小。
5、短路保護(hù)
電池在對負(fù)載放電過程中，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，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)榱汶妷海筎2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)的延時時間極短，通常小于7微秒。其工作原理與過電流保護(hù)類似，只是判斷方法不同，保護(hù)延時時間也不一樣。
充電機(jī)充電鋰電池的保護(hù)功能通常由保護(hù)電路板和PTC等電流器件協(xié)同完成，保護(hù)板是由電子電路組成，在-40℃至+85℃的環(huán)境下時刻準(zhǔn)確的監(jiān)視電芯的電壓和充放回路的電流，及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。
普通充電機(jī)充電鋰電池保護(hù)板通常包括控制IC、MOS開關(guān)、電阻、電容及輔助器件FUSE、PTC、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，使電芯與外電路導(dǎo)通，而當(dāng)電芯電壓或回路電流超過規(guī)定值時，它立刻控制MOS開關(guān)關(guān)斷，保護(hù)電芯的安全。
在保護(hù)板正常的情況下，Vdd為高電平，Vss,VM為低電平，DO、CO為高電平，當(dāng)Vdd,Vss,VM任何一項參數(shù)變換時，DO或CO端的電平將發(fā)生變化。
1、過充電檢出電壓：在通常狀態(tài)下，Vdd逐漸提升至CO端由高電平 變?yōu)榈碗娖綍rVDD-VSS間電壓。
2、過充電解除電壓：在充電狀態(tài)下，Vdd逐漸降低至CO端由低電平 變?yōu)楦唠娖綍rVDD-VSS間電壓。
3、過放電檢出電壓：通常狀態(tài)下，Vdd逐漸降低至D O端由高電平 變?yōu)榈碗娖綍rVDD- VSS間電壓。
4、過放電解除電壓：在過放電狀態(tài)下，Vdd逐漸上升到DO端由低電平 變?yōu)楦唠娖綍r VDD-VSS間電壓 。
5、過電流1檢出電壓：在通常狀態(tài)下，VM逐漸升至DO由高電平 變?yōu)榈碗娖綍rVM-VSS間電壓。
6、過電流2檢出電壓：在通常狀態(tài)下，VM從OV起以1ms以上4ms以下的速度升到 DO端由高電平變?yōu)榈碗娖綍rVM-VSS間電壓。
7、負(fù)載短路檢出電壓：在通常狀態(tài)下，VM以O(shè)V起以1μS以上50μS以下的速度升至DO端由高電平變?yōu)榈碗娖綍rVM-VSS間電壓。
8、充電器檢出電壓：在過放電狀態(tài)下，VM以O(shè)V逐漸下降至DO由低電平變?yōu)樽優(yōu)楦唠娖綍rVM-VSS間電壓。
9、通常工作時消耗電流：在通常狀態(tài)下，流以VDD端子的電流（IDD）即為通常工作時消耗電流。
10、過放電消耗電流：在放電狀態(tài)下，流經(jīng)VDD端子的電流（IDD）即為過流放電消耗電流。
1、通常狀態(tài)：電池電壓在過放電檢出電壓以上（2.75V以上），過充電檢出電壓以下（4.3V以下），VM端子的電壓在充電器檢出電壓以上，在過電流/檢出電壓以下（OV）的情況下，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MOS管，DO、CO端都為高電平，MOS管處導(dǎo)通狀態(tài)，這時可以自由的充電和放電；
當(dāng)電池被充電使電壓超過設(shè)定值VC(4.25-4.35V)后，VD1翻轉(zhuǎn)使Cout變?yōu)榈碗娖剑琓1截止，充電停止，當(dāng)電池電壓回落至VCR(3.8-4.1V)時，Cout變?yōu)楦唠娖剑琓1導(dǎo)通充電繼續(xù)， VCR小于VC一個定值，以防止電流頻繁跳變。
當(dāng)電池電壓因放電而降低至設(shè)定值VD（2.3-2.5V）時， VD2翻轉(zhuǎn)，以IC內(nèi)部固定的短時間延時后，使Dout變?yōu)榈碗娖剑琓2截止，放電停止。
當(dāng)電路放電電流超過設(shè)定值或輸出被短路時，過流、短路檢測電路動作，使MOS管（T2）關(guān)斷，電流截止。
該保護(hù)回路由兩個MOSFET（T1、T2）和一個控制IC（N1）外加一些阻容元件構(gòu)成。控制
IC負(fù)責(zé)監(jiān)測電池電壓與回路電流，并控制兩個MOSFET的柵極，MOSFET在電路中起開關(guān)作用，分別控
制著充電回路與放電回路的導(dǎo)通與關(guān)斷，C2為延時電容，該電路具有過充電保護(hù)、過放電保護(hù)、過電流保
護(hù)與短路保護(hù)功能，其工作原理分析如下：
1、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)通電阻對電路的性能影響很小。
此狀態(tài)下保護(hù)電路的消耗電流為μA級，通常小于7μA。
2、過充電保護(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，隨著充電過程，電壓會上升到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，直至電流越來越小。
電池在被充電過程中，如果充電器電路失去控制，會使電池電壓超過4.2V后繼續(xù)恒流充電，此時電池電壓仍會繼續(xù)上升，當(dāng)電池電壓被充電至超過4.3V時，電池的化學(xué)副反應(yīng)將加劇，會導(dǎo)致電池?fù)p壞或出現(xiàn)安全問題。
在帶有保護(hù)電路的電池中，當(dāng)控制IC檢測到電池電壓達(dá)到4.28V（該值由控制IC決定，不同的IC有不同的值）時，其“CO”腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷海筎1由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷了充電回路，使充電器無法再對電池進(jìn)行充電，起到過充電保護(hù)作用。而此時由于T1自帶的體二極管VD1的存在，電池可以通過該二極管對外部負(fù)載進(jìn)行放電。
在控制IC檢測到電池電壓超過4.28V至發(fā)出關(guān)斷T1信號之間，還有一段延時時間，該延時時間的長短由C2決定，通常設(shè)為1秒左右，以避免因干擾而造成誤判斷。
3、過放電保護(hù)
電池在對外部負(fù)載放電過程中，其電壓會隨著放電過程逐漸降低，當(dāng)電池電壓降至2.5V時，其容量已被完全放光，此時如果讓電池繼續(xù)對負(fù)載放電，將造成電池的永久性損壞。
在電池放電過程中，當(dāng)控制IC檢測到電池電壓低于2.3V（該值由控制IC決定，不同的IC有不同的值）時，其“DO”腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷海筎2由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷了放電回路，使電池?zé)o法再對負(fù)載進(jìn)行放電，起到過放電保護(hù)作用。而此時由于T2自帶的體二極管VD2的存在，充電器可以通過該二極管對電池進(jìn)行充電。
由于在過放電保護(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，此時控制IC會進(jìn)入低功耗狀態(tài)，整個保護(hù)電路耗電會小于0.1μA。 在控制IC檢測到電池電壓低于2.3V至發(fā)出關(guān)斷T2信號之間，也有一段延時時間，該延時時間的長短由C2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2C（C=電池容量/小時），當(dāng)電池超過2C電流放電時，將會導(dǎo)致電池的永久性損壞或出現(xiàn)安全問題。
電池在對負(fù)載正常放電過程中，放電電流在經(jīng)過串聯(lián)的2個MOSFET時，由于MOSFET的導(dǎo)通阻抗，會在其兩端產(chǎn)生一個電壓，該電壓值U=I*RDS*2, RDS為單個MOSFET導(dǎo)通阻抗，控制IC上的“V-”腳對該電壓值進(jìn)行檢測，若負(fù)載因某種原因?qū)е庐惓＃够芈冯娏髟龃螅?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，其“DO”腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷海筎2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，起到過電流保護(hù)作用。
在控制IC檢測到過電流發(fā)生至發(fā)出關(guān)斷T2信號之間，也有一段延時時間，該延時時間的長短由C2決定，通常為13毫秒左右，以避免因干擾而造成誤判斷。
在上述控制過程中可知，其過電流檢測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，對同樣的控制IC，其過電流保護(hù)值越小。
5、短路保護(hù)
電池在對負(fù)載放電過程中，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，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)榱汶妷海筎2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)的延時時間極短，通常小于7微秒。其工作原理與過電流保護(hù)類似，只是判斷方法不同，保護(hù)延時時間也不一樣。
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