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　　锂离子电池保护电路*概述

　　在锂离子电池使用过程中，过充电、过放电对锂电池的电性能都会造成一定的影响，为避免使用中出现这种现象，专门设计了一套电路，并用微电子技术把它小型化，成为一个芯片，该芯片俗称锂电池保护ic。

　　锂离子电池保护电路*结构

　　锂离子电池保护电路需要保护ic和作为开关功能用的两只场效应管、若干电阻、电容。

　　保护ic外形：

　　保护ic外形常用的有两种：一种称为SOT-23-5封装。保护ic外形常用的有两种：一种称为SOT-23-5封装。

　　场效应管：

　　场效应管也称MOS FET，在锂电池保护PCB上，都是成对使用，因此制造商把两只独立的MOS FET封装在一起，其外形通常也有两种：一种是SOP-8封装。另一种封装较薄,称TSSOP-8。

　　锂离子电池保护电路*端口的功能

　　其各个端口的功能简述如下：

　　VDD：

　　1.IC芯片电源输入端。

　　2.锂电池电压采样点。

　　VSS：

　　1.IC芯片测量电路基准参考点。

　　2.锂电池负极和IC连接点。

　　DO： IC对放电MOS管的输出控制端

　　CO： IC对充电MOS管的输出控制端

　　VM： IC芯片对锂电池工作电流的采样输入端

　　电池过充电、过放电，放电时电流过大(过电流)，外围电路短路，该ic都会检测出来，并驱动相应的电子器件动作

　　锂离子电池保护电路*原理

　　充电状态：

　　充电时，充电电流由P+进入→B+→ MOS1→MOS2→P-。在充电的同时，ic通过Vcc和R1对电池连续进行测量。当检测到电池电压充电到4.2V时(这个电压随不同ic而异)，ic内的过充电检测电路将检测到的这个信号并将它转换成一系列的电平信号，其中的一个低电平信号传送到ic的输出端CO，促使MOS2关断，从而终止充电。

　　放电状态：

　　放电时，放电电流从电池正极B+→P+→负载(手机)→P-→MOS2→MOS1→B-。

　　在放电的同时，ic内的过放检测电路连续测量电池两端的电压，当电池电压随着用电时间的加长而下降到2.3V时(这个电压值随不同的ic而异)，该检测电路输出信号，使输出端DO为低电平，从而使MOS1关断，终止电池放电。在某种特殊情况下，如果电池放电时，电流大于某一额定值，ic内的过电流检测器会输出一个低电平信号到DO端，使MOS1在5~15ms的时间内关断(这个值随不同的电流和不同的MOS管内阻而异)。在极端情况下，P+、P-端发生短路，则ic内部的短路检测电路，将会检测到这个信号，并将这个信号转换成低电平，输出到DO端，从而使MOS1在10~50us的时间内关闭，从而切断电路。

　　锂离子电池保护电路*工作状态

　　电路具有过充电保护、过放电保护、过电流保护与短路保护功能，其工作状态分析如下：

　　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。

　　2、过度充电保护

　　当充电器对锂电池过度充电时，锂电池会因温度上升而导致内压上升，需终止当前充电的状态。此时，集成保护电路IC 需检测电池电压，当到达4.25V 时(假设电池过充电压临界点为4.25 V) 即激活过度充电保护,将功率MOS 由开转为切断，进而截止充电。另外，为防止由于噪音所产生的过度充电而误判为过充保护，因此需要设定延迟时间，并且延迟时间不能短于噪音的持续时间以免误判。

　　过充电保护延时时间tvdet1计算公式为：

　　t vdet1 = { C3 ×( Vdd - 0. 7) }/ (0. 48 ×10 - 6 ) (1)式中：Vdd为保护N1 的过充电检测电压值。

　　简便计算延时时间: t = C3/ 0. 01 ×77 (ms) (2)如若C3 容值为0.22 F ,则延时值为：0. 22 /0. 01 ×77 = 1694 (ms)

　　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4.2V(根据正极材料不同，有的电池要求恒压值为4.1V)，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4.2V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4.3V时，电池的化学副反应将加剧，会导致电池损坏或出现**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4.28V(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，电池可以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4.28V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、过度放电保护

　　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。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2.3 V) 时将激活过度放电保护，使功率MOS FET 由开转变为切断而截止放电，以避免电池过度放电现象产生，并将电池保持在低静态电流的待机模式,此时的电流仅0.1μA 。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产生误动作。

　　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2.5V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**性损坏。

　　在电池放电过程中，当控制IC检测到电池电压低于2.3V(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0.1μA。

　　在控制IC检测到电池电压低于2.3V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、过电流及短路电流保护

　　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*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**性损坏或出现**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>0.1V(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。

　　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**，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产生时,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，运算公式为：

　　V_ = I ×Rds ( on) ×2 ( V_为过电流检测电压， I 为放电电流) (3)假设V_ = 0. 2V , Rds (on) = 25 mΩ，则保护电流的大小为I = 4 A 。

　　同样，过电流检测也必须设有延迟时间以防有突发电流流入时产生误动作。通常在过电流产生后，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。

　　在进行保护电路设计时使电池充电到饱满的状态是使用者很关心的问题，同时兼顾到**性问题，因此需要在达到容许电压时截止充电状态。要同时符合这两个条件，必须有高精密度的检测器，目前检测器的精密度为25 mV 。另外还必须考虑到集成保护电路IC 功耗、耐高电压问题。此外为了使功率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20～30 mΩ，这样过电流检测电压就可较低。

　　电池在对负载放电过程中，若回路电流大到使U>0.9V(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。

　　锂离子电池保护电路*功能与作用

　　在充电过程中，如果过充，由于电解液的分解会产生气体，使其内部压力上升，以及金属锂的释出而造成起火及破裂。单体电池在过放电状态，负极集电体的铜开始溶于电解液，电池性能下降。放电过程中的大电流及短路容易造成电池的损坏可能由于误使用造成过充或过放，产生电池温度上升为防止电池在以上几个方面出现问题，需要给电池加装保护板，对电池的充、放电状态进行有效监控，防止使用中对电池产生各种损害。

　　功能：保护电池防止电池爆炸，防止过充电，过放电，电流过大电芯的电压均衡与用电设备更好的匹配

　　作用：

　　防止过充电：防止电池的特性劣化、起火及破裂，确保**性

　　防止过放电：防止电池特性劣化，确保电池的使用寿命

　　防止过电流：防止FET的破坏，短路保护及确保搬运时的**性

　　锂离子电池保护电路*ic功耗

　　ic是一个完整的电子线路，它在工作时要消耗掉一部份电能，当电池块在手机中工作时，ic将从锂电池中以吸取电能，可见，要求ic的功耗越小越好。 ic的功耗是用消耗的电流来度量的，一般这个电流值在3~6uA之间。由电原理图可见，ic通过电阻R1，从电池中吸取电流，因此只要测量出R1两端的电压降V1，根据欧姆定律可算得ic的功耗，电流值为I=V1/R1。