適用于多種電壓等級的蓄電池過放電保護(hù)電路

　　0 引言

　　為保證無人值守的設(shè)備(比如考勤機(jī)等)在斷電后仍能運(yùn)行，通常要加入蓄電池作為后備電源。在電網(wǎng)斷電后，后備電池開始對設(shè)備進(jìn)行供電。這時，必須設(shè)置電池過放電保護(hù)電路。最簡單的電池保護(hù)是設(shè)置一個電壓保護(hù)門限，當(dāng)電池電壓降到這個門限值之后，自動斷開回路，停止對負(fù)載供電。但由于負(fù)載被斷開之后，電池端電壓會迅速升高至門限電壓以上，于是電池又被重新接入電路給負(fù)載供電，此后會重復(fù)“斷開一接通一斷開一接通”的振蕩過程，直到電池徹底耗盡。這對電池的壽命會產(chǎn)生很大的影響，甚至損壞電池。所以，必須設(shè)計一種帶有滯回功能的自動保護(hù)電路。

　　目前市場上有一些現(xiàn)成的電池保護(hù)芯片可以應(yīng)用，但這些芯片多應(yīng)用于鋰電池的保護(hù)，電壓等級多集中在5V左右。在一些電壓等級較高的蓄電池應(yīng)用中，例如，10V至50V的供電系統(tǒng)可能就無法應(yīng)用。本文提供了一種簡單有效的帶有滯回區(qū)的電池保護(hù)電路，可以設(shè)置兩個電壓門限，避免產(chǎn)生振蕩，又因為這兩個門限可以通過電阻任意設(shè)置，因此能夠應(yīng)用到幾十伏的電池系統(tǒng)中。

　　1 保護(hù)原理

　　如圖1(a)所示，假設(shè)電池電壓為UBAT，系統(tǒng)只設(shè)置一個保護(hù)門限電壓UTH。則當(dāng)電池電壓低于UTH時，比較電路輸出低電平，負(fù)載被斷開。但由于負(fù)載的移除，電池端電壓迅速上升至UTH以上，比較器重新輸出高電平，負(fù)載又被接入，從而形成振蕩。

　　但如果在比較電路中設(shè)置兩個門限電壓：UTHH和UTHL(UTHH>UTHL)，則可以形成一個滯回區(qū)，如圖1(b)所示。當(dāng)電池電壓從低升高至UTHH時，比較器輸出高電平，打開電子開關(guān)，給負(fù)載供電；當(dāng)電池電壓降低至UTHL時，比較器輸出低電平，斷開負(fù)載。這個時候電池端電壓雖然會迅速升高至UTHL以上，但由于達(dá)不到UTHH，所以，比較器仍然輸出低電平，負(fù)載仍被斷開，直到電池被充電后電壓升高至UTHH以上才能再次接通負(fù)載。這樣就避免了電路的振蕩，保護(hù)了負(fù)載和電池。

　　雖然絕大多數(shù)比較器中都帶有滯回電路，但通常內(nèi)部滯回電路的滯回電壓(即UTHH一UTHL)僅為5mV到10mV，根本不能用于過放電保護(hù)。圖2(a)電路中利用比較器的輸出反饋自動調(diào)節(jié)比較電壓的參考值，使輸入電壓在不同的區(qū)間時，被比較的門限電壓在UTHH和UTHL之間轉(zhuǎn)化。圖2(b)給出了輸入信號變化時的輸出響應(yīng)，利用比較器的輸出信號來驅(qū)動電子開關(guān)，當(dāng)Output為高時，電池被接入系統(tǒng)，當(dāng)Output為低時，負(fù)載被斷開。

　　當(dāng)電池電壓UBAT較低時，比較器輸出低電平，使三極管VT截止，此時的門限電壓為：

　　直到電池電壓URAT高于UTHH時比較器才輸出高電平，負(fù)載才能被接通，同時VT被導(dǎo)通，R3近似被短路，門限電壓自動調(diào)整為：

　　此后，即使電池電壓低于UTHH，但只要仍高于UTHL，電池就一直處于輸出狀態(tài)，直到電壓降低至UTHL后，Output為低電平，負(fù)載被斷開。同時，VT變?yōu)榻刂?，門限電壓重新轉(zhuǎn)化為UTHH，雖然負(fù)載的移除使電池端電壓上升，但由于仍低于UTHH，負(fù)載不會重新被接通。這樣就有效的保護(hù)了電池，延長了電池的使用壽命。

　　2 硬件電路

　　式(1)和式(2)是理論上的公式，實際上，為了將上述的滯回原理應(yīng)用于實際的電池系統(tǒng)，還要考慮一個參考電壓的問題。參考電壓Uref是不能變的，否則上下電壓門限就會發(fā)生變化。而且參考電壓是由電池電壓供電產(chǎn)生的，它必須比電池電壓低的多，而且功耗極小。

　　圖3是具體的硬件電路圖，參考電壓由LM285Z一2．5分流穩(wěn)壓器產(chǎn)生，它最低只需要10μA的通過電流就可輸出穩(wěn)定的2．5V參考電壓，這可大大降低電池在低壓閉鎖狀態(tài)的功耗。比較器選用了ST公司TS393I，它是一種微功耗比較器，這樣，所有分壓電阻的阻值可以選的很大，進(jìn)一步降低了功耗。比較器的輸出控制P溝道的MOSFET、VT3接通或斷開負(fù)載。當(dāng)電池電壓降低到一定程度時VT2關(guān)斷，使得由比較器組成的保護(hù)電路與電池斷開，極大地減小的電池的能量消耗，電池處于一種近似自然放電的狀態(tài)；當(dāng)電池電壓恢復(fù)時，VT2自然導(dǎo)通，保護(hù)電路重新恢復(fù)工作。

　　3 參數(shù)計算

　　我們以9V的電池為例來進(jìn)行參數(shù)計算。第l步：根據(jù)電池的特性設(shè)置上下電壓門限UTHH=7．8V和UTHL=6V。

　　第2步：為了保證當(dāng)電池電壓達(dá)到低電壓鎖存門限時分壓穩(wěn)壓器LM285Z一2．5仍能正常工作，則要保證LM285Z一2．5上流過的電流但由于分流穩(wěn)壓器還要分出一部分電流給其它電阻網(wǎng)絡(luò)用，留出2倍的裕量，所以實際的應(yīng)保證Iref>20μA，這樣可求出R6=175kΩ，取R6=125kΩ。

　　第3步：由于電池電壓比參考電壓高，電池電壓應(yīng)先通過R4和R5組成的分壓網(wǎng)絡(luò)分壓后再與參考電壓分壓出的基準(zhǔn)進(jìn)行比較。所以，根據(jù)電池電壓設(shè)定的UTHH和UTHL就對應(yīng)一個在參考電壓Uref的基礎(chǔ)上的兩個門限值：UH和UL。于是式(1)和式(2)就變成：

　　設(shè)UL=1．25V(UL取Uref一半的大小，為的是使R1、R2、R3的阻值相對比較接近，當(dāng)然也可以選擇其它小于Uref的值)，則R4和R5的分壓比Q=UL／UTHL，則可以根據(jù)Q=R4／(R4+R5)求出R4和R5的比值，同時也可以得到UH=UTHH×Q=4．625V。

　　第4步：設(shè)R1=9lkΩ，根據(jù)式(4)可求得R2=91kΩ。

　　第5步：根據(jù)式(3)計算出R3=78kΩ。

　　當(dāng)電池電壓降到5V以下時，VT2被斷開，基本上只有阻值總和為385kΩ的電阻消耗電池的能量，放電電流只有10μA左右。

　　將6節(jié)1．2V的鎳氫電池串聯(lián)后，利用上面的參數(shù)進(jìn)行測試。把電池充滿后進(jìn)行放電，當(dāng)電壓低于6V的UTHL之后，負(fù)載被斷開，電池電壓迅速升高至7．4V左右，但由于沒有達(dá)到7．8V的UTHH，負(fù)載仍被斷開，所以電路沒有產(chǎn)生振蕩。

　　4 結(jié)束語

　　這種電池保護(hù)系統(tǒng)的電路簡單，使用靈活。只需選擇供電電壓較高的比較器，就可以應(yīng)用到任何電壓等級的電路中；只需改變電阻值就可以設(shè)置任意的導(dǎo)通和關(guān)斷門限，從而可以具有一個較寬的安全范圍。此外，在電池保護(hù)期間，由于使用的都是超低功耗的芯片和較大的電阻值，所以電池能量的消耗極少。當(dāng)電池電壓進(jìn)一步降低時，系統(tǒng)會自動斷開保護(hù)電路，使電池僅處于一種近似自然放電的狀態(tài)，放電電流只有幾個微安。