鋰離子電池保護(hù)器及監(jiān)控器 (圖)

可充電的鋰離子電池具有輸出電壓高、比能量高、放電電壓穩(wěn)定、工作溫度范圍寬、自放電率低、儲(chǔ)存壽命長、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用越來越廣泛，特別是手機(jī)的小型化及普及，使鋰離子電池用量猛增。為了適應(yīng)各種不同的便攜式電子產(chǎn)品的需要，除單節(jié)鋰離子電池外，還有2～4節(jié)鋰離子電池組成的電池組。

　　鋰離子電池較為“嬌氣”，若在充電過程中充電電壓高于規(guī)定電壓，充電電流超過規(guī)定電流；或在放電過程中有過大的放電電流；放電到終止放電電壓還繼續(xù)放電，就會(huì)損壞電池或使之報(bào)廢。由于目前鋰離子電池價(jià)格較貴，因此開發(fā)出各種保護(hù)元件、保護(hù)器及監(jiān)控器，它們可有效地保護(hù)鋰離子電池在充電或使用不當(dāng)而損壞，監(jiān)控電池能量的信號(hào)輸出。

　　PTC聚合物保護(hù)元件是最簡(jiǎn)單的保護(hù)器，它可保護(hù)鋰離子電池在充電或放電過程中不因過大充、放電流或短路而造成電池?fù)p害。但它解決不了在充電過程中的充電電壓過高（過充電）或放電過程中的電池電壓過低（低于終止放電電壓，稱過放電），所以開發(fā)出功能完善的保護(hù)器集成電路。

鋰離子電池的基本參數(shù)
　　鋰離子電池的額定電壓為3.6V（少數(shù)的是3.7V）。充滿電時(shí)的終止充電電壓與電池陽極材料有關(guān)：石墨的4.2V；焦炭的4.1V。充電時(shí)要求終止充電電壓的精度在±1％之內(nèi)。鋰離子電池的終止放電電壓為2.4～2.7V（電池廠家給出工作電壓范圍或終止放電電壓的參數(shù)略有不同）。高于終止充電電壓及低于終止放電時(shí)會(huì)對(duì)電池有損害。

　　使用有一定要求：充電溫度0～45℃；放電或保存溫度 -20～+60℃。鋰離子電池不適合大電流充放電。一般充電電流不大于1C，放電電流不大于2C（C是電池的容量，如C=950mAh，1C的充電率即充電電流為950mA）。

　　充電、放電在20℃左右效果較好，在負(fù)溫下不能充電，并且放電效果差，（在-20℃放電效果最差，不僅放電電壓低，放電時(shí)間比20℃放電時(shí)的一半還少）。

鋰離子電池保護(hù)器IC
　　鋰離子電池保護(hù)器IC有適用于單節(jié)的及2～4節(jié)電池組的。這里介紹這類保護(hù)器的要求，并重點(diǎn)介紹單節(jié)鋰離子電池保護(hù)器電路。

　　對(duì)鋰離子電池保護(hù)器的基本要求：
　　1．充電時(shí)要充滿，終止充電電壓精度要保護(hù)±1％；
　　2．在充、放電過程中不過流，并有短路保護(hù)；
　　3．到達(dá)終止放電電壓要禁止繼續(xù)放電，終止放電電壓精度在±3％左右；
　　4．對(duì)深度放電的電池（低于終止放電電壓）在充電前以涓流方式預(yù)充電；
　　5．為了工作穩(wěn)定可靠，防止瞬態(tài)電壓變化的干擾，內(nèi)部有過充電、過放電、過流保護(hù)的延時(shí)電路，防止瞬態(tài)干擾造成誤動(dòng)作；
　　6．在多個(gè)串聯(lián)的電池組充電時(shí)，要保護(hù)各節(jié)電池電壓的匹配平衡，匹配精度要求±10％左右；
　　7．自身耗電?。o論在充、放電時(shí)保護(hù)器都是通電工作的）。單節(jié)電池保護(hù)器耗電一般小于10μA，多節(jié)的一般在20μA左右；在到達(dá)終止放電時(shí)，它處于關(guān)閉狀態(tài)，一般耗電2μA以下；
　　8．保護(hù)器電路簡(jiǎn)單，外圍元器件少，占空間小，可以做在電池或電池組中；
　　9．價(jià)格低。

單節(jié)鋰離子電池保護(hù)器
　　這里以AIC1811單節(jié)鋰離子電池保護(hù)器為例來說明保護(hù)器的電路及工作原理。該器件主要特點(diǎn)：終止充電電壓有4.35V、4.30V及4.25V（分別由型號(hào)后綴A、B、C表示），充電電壓精度可達(dá)±30mV（±0.7％）；耗電省，在3.5V工作電壓時(shí)工作電流典型值7μA，到達(dá)終止放電后耗電僅0.2μA；有過充、過放、過流保護(hù)，并有延時(shí)以免瞬態(tài)干擾；過放電電壓2.4V，精度±3.5％；小尺寸5管腳SOT-25封裝；工作溫度范圍-20～+80℃。

　　AIC1811組成的單節(jié)鋰離子電池保護(hù)電路如圖1所示，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖及外部元器件圖如圖2所示。V1為控制放電的MOSFET，V2為控制充電的MOSFET，R1、C1用來消除充電器輸入電壓的紋波及干擾電壓，R2為防止充電器電源接反時(shí)保護(hù)CS端的電阻，R3為V2的偏置電阻，F(xiàn)U為保險(xiǎn)絲，BATT+及BATT-為電池組的正極和負(fù)極（此保護(hù)器電路置于電池中）。

　　在正常充、放電時(shí)，V1、V2都導(dǎo)通。充電電流從BATT+流入，經(jīng)保險(xiǎn)絲向電池充電，經(jīng)V1、V2后由BATT-流出。正常放電時(shí)，電流由BATT+經(jīng)負(fù)載RL（圖1中未畫出）后，經(jīng)BATT-及V2、V1流向電池負(fù)極，其電流方向與充電電流方向相反。由于V1、V2的導(dǎo)通電阻RDS（ON）極小，因此損耗較小。

　　幾種保護(hù)的工作狀態(tài)如下（參看圖2）：

　　1．過充電保護(hù)
　　P1為控制過充電的帶滯后的比較器，R6、R7組成分壓器接在鋰離子電池兩端，其中間頭檢測(cè)電池的電壓并接在R1的同相端，P1的反相端接1.2V基準(zhǔn)電壓。充電時(shí)電池電壓低于過充電閾值電壓時(shí)，P1的反相端電壓大于同相端電壓，P1輸出低電平，使Q1導(dǎo)通，V2的偏置電阻R3有電流流過使V2也導(dǎo)通（V1在充電時(shí)是導(dǎo)通的），這樣形成充電回路。當(dāng)充電到達(dá)并超過充電閾值電壓時(shí)，P1同相端電壓超過1.2V，P1輸出高電平，經(jīng)100ms延時(shí)后使Q1截止，R3無電壓使V2截止，充電電路斷開，防止過充電。

　　2．過放電保護(hù)
　　過放電保護(hù)電路是由R4、R5組成的分壓器、帶滯后的比較器P2、100ms延時(shí)電路、或門及由Q2、Q3組成的CMOS輸出電路組成。當(dāng)電池放電達(dá)到2.4V時(shí)，P2輸出高電平，經(jīng)延時(shí)后使OD輸出低電平，V1截止，放電回路斷開，禁止放電。

　　3．過流保護(hù)
　　以放電電流過流保護(hù)為例，CS端為放電電流檢測(cè)端，它連續(xù)地檢測(cè)放電電流。這是利用CS端的電壓VCS與放電電流IL有一定關(guān)系，如圖3所示。如果把導(dǎo)通的V1、V2看做一個(gè)電阻，即RV1DS（ON）及RV2DS（ON），則放電回路如圖3的虛線所示。若忽略R2上極小的壓降，則VCS對(duì)地的電壓為：
　　VCS=[RV1DS（ON）+RV2DS（ON）]×IL
　　即VCS與放電電流IL成比例。
　　過流保護(hù)電路由比較器P3、延時(shí)電路或門等組成。若放電電流超過設(shè)定閾值而使VCS超過0.2V，則P3輸出高電平，其結(jié)果與過放電情況相同使V2截止，禁止放電。該器件尚有其他功能，這里不再介紹。

3～4節(jié)鋰離子電池保護(hù)器
　　這里以MAX1894/MAX1924為例說明其功能及特點(diǎn)。MAX1894設(shè)計(jì)用于4節(jié)鋰離子電池組，而MAX1924適用于3節(jié)或4節(jié)的電池組。兩個(gè)保護(hù)器可監(jiān)控串聯(lián)電池中每一個(gè)電池的電壓，避免過充電及過放電，從而有效地延長電池的壽命。另外，它也能防止充、放電時(shí)電流過大或短路。

　　兩個(gè)器件組成的保護(hù)器電路如圖4所示。它是一種用于4節(jié)鋰離子電池組的保護(hù)器。它與圖1不同之處是為了使串聯(lián)的4個(gè)電池在充電時(shí)每一個(gè)電池的電壓基本相等（均壓），所以它增加了內(nèi)部電路及外部電阻、電容等元件；另外，它由微控制器（μC）來控制，它可以輸出電池的狀態(tài)信號(hào)，使功能更完善。

　　兩個(gè)器件的主要特點(diǎn)：每個(gè)電池的過壓閾值由工廠設(shè)定，其電壓精度可達(dá)±0.5％；終止放電電壓閾值由工廠設(shè)定，精度可達(dá)±2％；有關(guān)閉模式，關(guān)閉狀態(tài)時(shí)耗電0.8μA，可防止電池深度放電；工作電流典型值30μA，小尺寸16管腳QSOP封裝；工作溫度范圍-40～+85℃。

鋰離子電池監(jiān)控器
　　鋰離子電池監(jiān)控器除了有保護(hù)電路外（可保護(hù)電池在充電、放電過程免于過充電、過放電和過熱），并且能輸出電池剩余能量信號(hào)（用LCD顯示器可形象地顯示出電池剩余能量），使用者能隨時(shí)了解電池的剩余能量狀態(tài)，以便及時(shí)充電或更換電池。它主要用于有μC或μP的便攜式電子產(chǎn)品中，如手機(jī)、攝像機(jī)、照相機(jī)、醫(yī)療儀器或音、視頻裝置等。

　　這里以DS2760為例說明該器件的特點(diǎn)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及應(yīng)用電路。該器件有溫度傳感器，能檢測(cè)雙向電流的電流檢測(cè)器及電池電壓檢測(cè)器，并有12位ADC將模擬量轉(zhuǎn)模成數(shù)字量；有多種存儲(chǔ)器，能實(shí)現(xiàn)電池剩余能量的計(jì)算。它是將數(shù)據(jù)采集、信息計(jì)算與存儲(chǔ)及安全保護(hù)于一身。另外，它具有外圍元件少、電路簡(jiǎn)單、器件封裝尺寸?。?.25mm×2.75mm管芯式BGA封裝）的特點(diǎn)。

　　DS2760的內(nèi)部有25mΩ檢測(cè)電阻，能檢測(cè)雙向（充電及放電）電流（但自身阻值極小，損耗極?。?；電流分辨率為0.625mA，動(dòng)態(tài)范圍為1.8A，并有電流累加計(jì)算；電壓測(cè)量分辨率為48mV；溫度測(cè)量分辨率可達(dá)0.125℃；由ADC轉(zhuǎn)換的數(shù)字量存儲(chǔ)在相應(yīng)的存儲(chǔ)器內(nèi)，通過單線接口與主系統(tǒng)連接，可對(duì)鋰離子電池組成的電源進(jìn)行管理及控制，即實(shí)現(xiàn)與內(nèi)部存儲(chǔ)器進(jìn)行讀/寫訪問及控制。該器件功耗低，工作狀態(tài)時(shí)最大電流80μA，節(jié)能狀態(tài)（睡眠模式）時(shí)小于2μA。

　　DS2760的功能結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。它由溫度傳感器、25mΩ檢測(cè)電阻、多路器、基準(zhǔn)電壓、ADC、多種存儲(chǔ)器、電流累加器及時(shí)基、狀態(tài)/控制電路、與主系統(tǒng)單線接口及地址、鋰離子保護(hù)器等組成。

　　DS2760有EEPOM、可鎖EEPROM及SRAM三種形式的存儲(chǔ)器，EEPROM保護(hù)電池的重要數(shù)據(jù)，可鎖EEPROM用作ROM，SRAM供暫豐數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

　　應(yīng)用電路并不復(fù)雜，電路如圖6所示。兩個(gè)P溝道功率MOSFET分別控制充電及放電，BAT+、BAT-之間接入鋰離子電池，PACK+、PACK-為電池組的正負(fù)端，DATA端與系統(tǒng)接口。該電路適用于單節(jié)鋰電池，若采用貼片式元器件占空間很小，可做在電池中。

  來源:xiangxueqin