基于ICL7107的鋰電池保護(hù)板漏電流測(cè)試儀

引言

在便攜式應(yīng)用場(chǎng)合，迫切需要有容量高、體積小、重量輕的電池。目前，在一次、二次電池中，鋰電池已經(jīng)取代鎳鎘、鎳氫電池得到了廣泛的應(yīng)用。但鋰電池存在“對(duì)過(guò)充電、過(guò)放電的耐受力差”的缺點(diǎn)，所以，鋰電池都必須配有保護(hù)電路板，對(duì)鋰電池的過(guò)充電、過(guò)放電起保護(hù)作用。保護(hù)板由鋰電池供電，正常耗漏電流為2μA~3μA，如果保護(hù)板的漏電流超過(guò)5μA，將引起電池存儲(chǔ)壽命縮短，嚴(yán)重時(shí)可使電池?fù)p壞。因此，迫切需要一種測(cè)試儀對(duì)鋰電池保護(hù)板漏電流進(jìn)行檢測(cè)。

本研究利用集成電路ICL7107設(shè)計(jì)鋰電池保護(hù)板漏電流快速檢測(cè)儀。

1、保護(hù)電路漏電流過(guò)大的危害分析1.1、保護(hù)電路分析

鋰電池保護(hù)電路原理圖如圖1所示。圖中U1采用日本理光R5421N151F鋰電池保護(hù)芯片，U2采用三洋FTD2017金屬氧化物半導(dǎo)體管（MOST）。當(dāng)鋰電池在工作過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流、短路等異常情況時(shí)，U2作為開(kāi)關(guān)器件，將迅速切斷電路，以保證鋰電池的安全。

圖1 鋰電池保護(hù)電路原理圖

1.2、產(chǎn)生漏電流的環(huán)節(jié)

由圖1可知，鋰電池保護(hù)電路產(chǎn)生的漏電流包含以下3個(gè)環(huán)節(jié)：①電容C1產(chǎn)生的漏電流;②R5421N151F芯片的內(nèi)部工作電流;③FTD2017金屬氧化物半導(dǎo)體管產(chǎn)生的漏電流。

當(dāng)電容C1產(chǎn)生過(guò)大的漏電流，或R5421N151F芯片異常產(chǎn)生過(guò)大的內(nèi)部工作電流，或FTD2017晶體管G-S靜電擊穿，或PCB線(xiàn)路板銅箔因距離近引起走線(xiàn)短路時(shí)，保護(hù)電路將產(chǎn)生過(guò)大的漏電流。

1.3、漏電流過(guò)大的危害分析

從圖1可知，保護(hù)板接在電池兩端。當(dāng)保護(hù)板自身漏電流過(guò)大時(shí)，一方面保護(hù)板本身無(wú)法對(duì)系統(tǒng)起有效保護(hù)作用;另一方面將使鋰電池存儲(chǔ)壽命縮短，嚴(yán)重時(shí)可使電池?fù)p壞。據(jù)統(tǒng)計(jì)，保護(hù)板漏電流過(guò)大，約占總量3‰左右。由于保護(hù)板漏電流過(guò)大具有很大的隱蔽性，一般須經(jīng)3~6個(gè)月的使用后才能發(fā)覺(jué)，如鋰電池的價(jià)格以20元/塊、產(chǎn)量以10000塊/天計(jì)算，將造成鋰電池生產(chǎn)廠(chǎng)家每天600元的損失，一年將產(chǎn)生20萬(wàn)元的退貨，并造成負(fù)面的信譽(yù)影響。

2、保護(hù)板漏電流測(cè)試原理分析2.1、測(cè)試儀工作原理

測(cè)試儀由基準(zhǔn)電路、測(cè)試電壓電路、比較電路、數(shù)顯312/微安表、報(bào)警電路等部分組成，其原理圖如圖2所示。

圖2 保護(hù)板漏電流測(cè)試儀原理圖

基準(zhǔn)電路：R1，DW1組成2.5V的低溫飄高穩(wěn)定電壓信號(hào)源，經(jīng)R2，W1分壓，得到約5mV的基準(zhǔn)電壓?；鶞?zhǔn)電壓加比較電路LM358的反相輸入端。

測(cè)試電壓電路：本測(cè)試儀按鋰電池的工作電壓為4.2V設(shè)計(jì)，經(jīng)DW2穩(wěn)壓，通過(guò)調(diào)整W2獲得4.2V電壓，作為保護(hù)板測(cè)試電壓。

保護(hù)板測(cè)試用電壓通過(guò)OUT+，OUT-插座和測(cè)試表筆，加到保護(hù)板兩端，保護(hù)板漏電流通過(guò)電阻R7產(chǎn)生一個(gè)電壓降：

UR7=I漏&mes;R7=XμA&mes;（1&mes;103）Ω=XmV（假設(shè)漏電流為xμA）

漏電流在電阻R7上產(chǎn)生的電壓降，同時(shí)通過(guò)電阻R3，電容C4濾波，加在LM358的同相輸入端，與5mV的基準(zhǔn)端比較，當(dāng)漏電流較大，在R7上形成的壓降超過(guò)5mV，LM358的同相輸入端電壓超過(guò)反相輸入端，輸出端電位變高，驅(qū)動(dòng)9013，帶動(dòng)蜂鳴器產(chǎn)生聲音告警信號(hào)。

2.2、毫伏電壓表設(shè)計(jì)

本研究采用以312/位A/D轉(zhuǎn)換集成電路ICL7107為核心的數(shù)字毫伏電壓表頭，滿(mǎn)量程輸入信號(hào)為DC±199.9mV。A/D轉(zhuǎn)換集成電路ICL7107與各種各樣的前級(jí)電路配合，可以成為測(cè)量顯示電流、電壓、電阻、壓力、溫度等等化學(xué)量、物理量的廉價(jià)優(yōu)質(zhì)數(shù)字顯示儀表，其高精度、高可靠、無(wú)視差、耐振動(dòng)等顯著優(yōu)點(diǎn)，是傳統(tǒng)指針儀表望塵莫及的。

表頭可達(dá)到的指標(biāo)有：①線(xiàn)性度：≤±1個(gè)字;②反極誤差：≤2個(gè)字（滿(mǎn)量程時(shí);③輸入阻抗：≥100M;④采樣速率：2.5次/s;⑤溢出顯示：當(dāng)輸入信號(hào)超出最大輸入信號(hào)時(shí)，表頭顯示“-1xxx”或“1xxx”，（x表示消隱）;⑥供電：DC5V±10%，≤100mA。

200mV毫伏電壓表工作原理圖如圖3所示，各引腳功能如下：

圖3 毫伏電壓表工作原理圖

a1~g1、a2~g2、a3~g3、bc4：分別為個(gè)位、十位、百位、千位筆劃的驅(qū)動(dòng)信號(hào)端，依次接各顯示器的對(duì)應(yīng)筆劃引腳;

POL：負(fù)極性指示的輸出端，接千位顯示器的g段;

OSC1~OSC3：時(shí)鐘振蕩器的引出端，外接R2、C6組成多諧振蕩器，OSC3腳輸出信號(hào)經(jīng)CD4069反向器隔離，驅(qū)動(dòng)，經(jīng)C1，C2，VD1，VD2，產(chǎn)生約-3.6V負(fù)電壓外接R2、C6組成多諧振蕩器的RC網(wǎng)絡(luò);

VREF+、VREF-：基準(zhǔn)電壓的正、負(fù)端。VZ1產(chǎn)生2.5V電壓，經(jīng)R4，W1，R5分壓，得到100mV基準(zhǔn)電壓。測(cè)量前應(yīng)調(diào)整W1，使基準(zhǔn)電壓VREF=100.0mV，加到VREF+端;

IN+、IN-：模擬電壓輸入端，R3、C5為輸入端阻容濾波電路，以提高儀表的抗干擾能力;

CREF：外接基準(zhǔn)電容端，接C3基準(zhǔn)電容;

CAZ：積分器和比較器的反相輸入端，接自動(dòng)調(diào)零電容C8;

BUF：緩沖放大器的輸出端，接積分電阻R7;

INT：積分輸出端，接積分電容C7;

COM：模擬信號(hào)公共端，簡(jiǎn)稱(chēng)“模擬地”。V+與COM之間有2.8V的穩(wěn)壓輸出。電壓測(cè)量時(shí)，應(yīng)使COM與IN-、VREF-相連;

TEST：測(cè)試端，當(dāng)它與V+短接后，LED顯示器全部筆劃點(diǎn)亮，顯示-1888。

2.3、安裝調(diào)試

（1）表頭的簡(jiǎn)單判斷：給表頭供電端接上標(biāo)準(zhǔn)DC5V電壓，信號(hào)輸入端開(kāi)路，這時(shí)顯示數(shù)字是隨機(jī)數(shù)字，用金屬把表頭+/-輸入端短路，顯示應(yīng)該是“-001”~“000”~“001”，》±2個(gè)字就要檢查原因了。

（2）如果上述檢查合格，可以給表頭輸入100mV左右的DC信號(hào)電壓，顯示應(yīng)該是100.0±2個(gè)字，如果不對(duì)，可以微調(diào)印刷板上的基準(zhǔn)電壓電位器，讓顯示合乎要求;最后輸入反極性信號(hào)，其顯示值應(yīng)該與正極性輸入時(shí)基本一致，不允許超出±2個(gè)字。

（3）測(cè)電路上幾個(gè)重要工作點(diǎn)電壓值，應(yīng)與原理圖所標(biāo)接近，不應(yīng)相差過(guò)多，否則應(yīng)檢查線(xiàn)路裝配是否有誤，短接二表棒，蜂鳴器應(yīng)有報(bào)警聲。

（4）取一標(biāo)準(zhǔn)電流表，進(jìn)行整機(jī)精度效驗(yàn)，合格后方投入使用。

3、結(jié)束語(yǔ)

鋰電池保護(hù)板漏電流測(cè)試儀在2006年初設(shè)計(jì)完成后，在杭州萬(wàn)馬高能量電池有限公司投入使用。經(jīng)過(guò)兩年多的工程實(shí)踐表明，該測(cè)試儀日測(cè)試量達(dá)到10000片/臺(tái)以上，使用方便，能有效地對(duì)鋰電池產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控。