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便携式产品锂电池保护电路详述

导读: 这里详细阐述了锂电池保护的原理和功能要求,对于锂电池保护设计有一定的指导意义!锂离子电池保护电路包括过度充电保护、过电流/短路保护和过放电保护,要求过充电保护高精密度、保护IC功耗低、高耐压以及零伏可充电等特性。本文详细介绍了这三种保护电路的原理、新功能和特性要求。

  近年来,PDA、数字相机、手机、可携式音讯设备和蓝芽设备等越来越多的产品采用锂电池作为主要电源。锂电池具有体积小、能量密度高、无记忆效应、循环寿命高、高电压电池和自放电率低等优点,与镍镉、镍氢电池不太一样,锂电池必须考虑充电、放电时的安全性,以防止特性劣化。针对锂电池的过充、过度放电、过电流及短路保护很重要,所以通常都会在电池包内设计保护线路用以保护锂电池。

  由于锂离子电池能量密度高,因此难以确保电池的安全性。在过度充电状态下,电池温度上升后能量将过剩,于是电解液分解而产生气体,因内压上升而产生自燃或破裂的危险;反之,在过度放电状态下,电解液因分解导致电池特性及耐久性劣化,因而降低可充电次数。

  锂离子电池的保护电路就是要确保这样的过度充电及放电状态时的安全性,并防止特性劣化。锂离子电池的保护电路是由保护IC及两颗功率MOSFET所构成,其中保护IC监视电池电压,当有过度充电及放电状态时切换到以外挂的功率MOSFET来保护电池,保护IC的功能有过度充电保护、过度放电保护和过电流/短路保护。

  一、过度充电保护

  过度充电保护IC的原理为:当外部充电器对锂电池充电时,为防止因温度上升所导致的内压上升,需终止充电状态。此时,保护IC需检测电池电压,当到达4.25V时(假设电池过充点为4.25V)即激活过度充电保护,将功率MOSFET由开转为切断,进而截止充电。

  另外,还必须注意因噪音所产生的过度充电检出误动作,以免判定为过充保护。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。

  二、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。采用锂电池保护IC可以避免过度放电现象产生,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2.3V)时将激活过度放电保护,使功率MOSFET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。

  三、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)

  假设 V- = 0.2V,Rds(on) = 25mΩ,则保护电流的大小为 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。

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