3.7V鋰電池保護(hù)板 單節(jié)鋰電池保護(hù)電路原理解析2021-05-15 08:11
單節(jié)鋰電池充放電保護(hù)電路的具體組成方案較多，但工作原理相差不大，下面以在手機(jī)中用得較多的一種電路為例進(jìn)行分析，供參考。
1．單節(jié)鋰電池保護(hù)電路
單節(jié)鋰電池充放電保護(hù)電路的具體組成方案較多，但工作原理相差不大，下面以在手機(jī)中用得較多的一種電路為例進(jìn)行分析，供參考。
該電路的控制芯片為DW01（或312F），MOS開關(guān)管為8205A，如圖6所示，B＋、B-分別是接電芯的正、負(fù)極；P＋、P-分別是保護(hù)板輸出的正、負(fù)極；T為溫度電阻（NTC）端口，一般需要與用電器的CPU配合才能進(jìn)行保護(hù)控制。
DWO1或312F是一款鋰電池保護(hù)芯片，內(nèi)置有高精確度的電壓檢測與時間延遲電路，主要參數(shù)如下：過充檢測電壓為3V，過充釋放電壓為4.05V；過放檢測電壓為2.5V，過放釋放電壓為3.0V；過流檢測電壓為5V，短路電流檢測電壓為1.0V；DW01允許電池輸出的最大電流是3.3A。該芯片的引腳功能見表1。
當(dāng)電芯電壓在2.5V～4.3V之間時，DW01的①、③腳均輸出高電平（等于供電電壓），②腳電壓為0V。此時8205A內(nèi)的兩只N溝道場效應(yīng)管Q1、Q2均處于導(dǎo)通狀態(tài)，由于8205A的導(dǎo)通電阻很小，相當(dāng)于D、S極間直通，此時電芯的負(fù)極與保護(hù)電路的P-端相當(dāng)于直接連通，保護(hù)電路有電壓輸出，其電流回路如下：B＋→P＋→負(fù)載。P-→8205A的②、③腳→8205A的①腳→8205A的⑧腳→8205A的⑥、⑦腳→B-。
【提示】在此電路中，8205A內(nèi)部場效應(yīng)管Q1、Q2可等效為兩只開關(guān)，當(dāng)Q1或Q2的G極電壓大于1V時，開關(guān)管導(dǎo)通，D、S間內(nèi)阻很?。〝?shù)十毫歐姆），相當(dāng)于開關(guān)閉合；當(dāng)G極電壓小于0.7V時，開關(guān)管截止，D、S極間的導(dǎo)通內(nèi)阻很大（幾兆歐姆），相當(dāng)于開關(guān)斷開。
（2）過放電保護(hù)
當(dāng)電芯通過外接的負(fù)載進(jìn)行放電時，電芯兩端的電壓將慢慢降低，同時DW01內(nèi)部將通過電阻R1實時監(jiān)測電芯電壓，當(dāng)電芯電壓下降到2.3V（通常稱為過放保護(hù)電壓）時，DWO1認(rèn)為電芯已處于過放電狀態(tài)，其①腳電壓變?yōu)?，8205A內(nèi)Q1截止，此時電芯的B-與-之間處于斷開狀態(tài)，即電芯的放電回路被切斷，電芯將停止放電。
進(jìn)入過放電保護(hù)狀態(tài)后，電芯電壓會上升，若能上升到IC的門限電壓（一般為3.1V，通常稱為過放保護(hù)恢復(fù)電壓），DW0的①腳恢復(fù)輸出高電平，8205A內(nèi)的Q1再次導(dǎo)通。
（3）電池充電
無論保護(hù)電路是否進(jìn)入過放電狀態(tài)，只要給保護(hù)電路的P＋與P-端間加上充電電壓，DW0經(jīng)B一端檢測到充電電壓后，便立即從③腳輸出高電平，8205A內(nèi)的Q2導(dǎo)通，即電芯的B-保護(hù)電路的P-通，充電器對電芯充電，其電流回路如下：充電器正極→p＋→B＋→B-、8205A的⑥、⑦腳→8205A的⑧腳→8205A的①腳→8205A的②、③腳→P-→充電器負(fù)極。
（4）過充電保護(hù)
充電時，當(dāng)電池通過充電器正常充電時，隨著充電時間的增加，電芯兩端的電壓將逐漸升高，當(dāng)電芯電壓升高到4.4V（通常稱為過充保護(hù)電壓）時，DW01將判斷電芯已處于過充電狀態(tài)，便立即使③腳電壓降為0V，8205A內(nèi)的Q2因④腳為低電平而截止，此時電芯的B一極與保護(hù)電路的P-端之間處于斷開狀態(tài)并保持，即電芯的充電回路被切斷，停止充電。
當(dāng)保護(hù)電路的P＋與P-端接上放電負(fù)載后，雖然Q2截止，但其內(nèi)部的二極管正方向與放電回路的電流方向相同，所以仍可對負(fù)載放電。當(dāng)電芯兩端電壓低于4.3V（通常稱為過充保護(hù)恢復(fù)電壓）時，DW01將退出過充電保護(hù)狀態(tài)，③腳重新輸出高電平，Q2導(dǎo)通，即電芯的B-端與保護(hù)電路P-端又重新接上，電芯又能進(jìn)行正常的充放電。
（5）過流保護(hù)
由于MOs開關(guān)管飽和導(dǎo)通時也存在內(nèi)阻，所以有電流流過時MOs開關(guān)管的D、S極間就會產(chǎn)生壓降，保護(hù)控制IC會實時檢測MOs開關(guān)管D、S極的電壓，當(dāng)電壓升到IC保護(hù)門限值（一般為0.15V，稱為放電過流檢測電壓）時，其放電保護(hù)執(zhí)行端馬上輸出低電平，放電控制MOs開關(guān)管關(guān)斷，放電回路被斷開。
在圖7中，DW01通過接在V-端和VSS端之間的電阻R2實時檢測MOs開關(guān)管上的壓降。當(dāng)負(fù)載電流增大時，Q1或Q2上的壓降也必然增大，當(dāng)該壓降達(dá)到0.2V時，DWO1便判斷負(fù)載電流到達(dá)了極限值，于是其①腳電壓降為0V，8205A內(nèi)部的放電控制管Q1關(guān)閉，切斷電芯的放電回路。實現(xiàn)過電流保護(hù)。
（6）過溫保護(hù)
保護(hù)板上的T端口為過溫保護(hù)端，與用電器的CPU相連。常見的過溫保護(hù)電路較簡單，就是在T端與P-端接一只NTC電阻（見圖7中的R4），該電阻緊貼電芯安裝。當(dāng)用電器長時間處于大功率工作狀態(tài)時（如手機(jī)長時間處于通話狀態(tài)），電芯溫度會上升，則NTC阻值會逐漸下降，用電器的CPU對NTC阻值進(jìn)行檢測，當(dāng)阻值下降到CPU設(shè)定閾值時，CPU立即發(fā)出關(guān)機(jī)指令，讓電池停止對其供電，只維持很小的待機(jī)電流，從而達(dá)到保護(hù)電池的目的。
【提示】當(dāng)保護(hù)板處于保護(hù)狀態(tài)時，可以短接B-、P-端來激活保護(hù)板，這時控制芯片的充、放電保護(hù)執(zhí)行端（OC、OD）均會輸出高電平，讓MOs開關(guān)管導(dǎo)通。
1．單節(jié)鋰電池保護(hù)電路
單節(jié)鋰電池充放電保護(hù)電路的具體組成方案較多，但工作原理相差不大，下面以在手機(jī)中用得較多的一種電路為例進(jìn)行分析，供參考。
該電路的控制芯片為DW01（或312F），MOS開關(guān)管為8205A，如圖6所示，B＋、B-分別是接電芯的正、負(fù)極；P＋、P-分別是保護(hù)板輸出的正、負(fù)極；T為溫度電阻（NTC）端口，一般需要與用電器的CPU配合才能進(jìn)行保護(hù)控制。
DWO1或312F是一款鋰電池保護(hù)芯片，內(nèi)置有高精確度的電壓檢測與時間延遲電路，主要參數(shù)如下：過充檢測電壓為3V，過充釋放電壓為4.05V；過放檢測電壓為2.5V，過放釋放電壓為3.0V；過流檢測電壓為5V，短路電流檢測電壓為1.0V；DW01允許電池輸出的最大電流是3.3A。該芯片的引腳功能見表1。
當(dāng)電芯電壓在2.5V～4.3V之間時，DW01的①、③腳均輸出高電平（等于供電電壓），②腳電壓為0V。此時8205A內(nèi)的兩只N溝道場效應(yīng)管Q1、Q2均處于導(dǎo)通狀態(tài)，由于8205A的導(dǎo)通電阻很小，相當(dāng)于D、S極間直通，此時電芯的負(fù)極與保護(hù)電路的P-端相當(dāng)于直接連通，保護(hù)電路有電壓輸出，其電流回路如下：B＋→P＋→負(fù)載。P-→8205A的②、③腳→8205A的①腳→8205A的⑧腳→8205A的⑥、⑦腳→B-。
【提示】在此電路中，8205A內(nèi)部場效應(yīng)管Q1、Q2可等效為兩只開關(guān)，當(dāng)Q1或Q2的G極電壓大于1V時，開關(guān)管導(dǎo)通，D、S間內(nèi)阻很?。〝?shù)十毫歐姆），相當(dāng)于開關(guān)閉合；當(dāng)G極電壓小于0.7V時，開關(guān)管截止，D、S極間的導(dǎo)通內(nèi)阻很大（幾兆歐姆），相當(dāng)于開關(guān)斷開。
（2）過放電保護(hù)
當(dāng)電芯通過外接的負(fù)載進(jìn)行放電時，電芯兩端的電壓將慢慢降低，同時DW01內(nèi)部將通過電阻R1實時監(jiān)測電芯電壓，當(dāng)電芯電壓下降到2.3V（通常稱為過放保護(hù)電壓）時，DWO1認(rèn)為電芯已處于過放電狀態(tài)，其①腳電壓變?yōu)?，8205A內(nèi)Q1截止，此時電芯的B-與-之間處于斷開狀態(tài)，即電芯的放電回路被切斷，電芯將停止放電。
進(jìn)入過放電保護(hù)狀態(tài)后，電芯電壓會上升，若能上升到IC的門限電壓（一般為3.1V，通常稱為過放保護(hù)恢復(fù)電壓），DW0的①腳恢復(fù)輸出高電平，8205A內(nèi)的Q1再次導(dǎo)通。
（3）電池充電
無論保護(hù)電路是否進(jìn)入過放電狀態(tài)，只要給保護(hù)電路的P＋與P-端間加上充電電壓，DW0經(jīng)B一端檢測到充電電壓后，便立即從③腳輸出高電平，8205A內(nèi)的Q2導(dǎo)通，即電芯的B-保護(hù)電路的P-通，充電器對電芯充電，其電流回路如下：充電器正極→p＋→B＋→B-、8205A的⑥、⑦腳→8205A的⑧腳→8205A的①腳→8205A的②、③腳→P-→充電器負(fù)極。
（4）過充電保護(hù)
充電時，當(dāng)電池通過充電器正常充電時，隨著充電時間的增加，電芯兩端的電壓將逐漸升高，當(dāng)電芯電壓升高到4.4V（通常稱為過充保護(hù)電壓）時，DW01將判斷電芯已處于過充電狀態(tài)，便立即使③腳電壓降為0V，8205A內(nèi)的Q2因④腳為低電平而截止，此時電芯的B一極與保護(hù)電路的P-端之間處于斷開狀態(tài)并保持，即電芯的充電回路被切斷，停止充電。
當(dāng)保護(hù)電路的P＋與P-端接上放電負(fù)載后，雖然Q2截止，但其內(nèi)部的二極管正方向與放電回路的電流方向相同，所以仍可對負(fù)載放電。當(dāng)電芯兩端電壓低于4.3V（通常稱為過充保護(hù)恢復(fù)電壓）時，DW01將退出過充電保護(hù)狀態(tài)，③腳重新輸出高電平，Q2導(dǎo)通，即電芯的B-端與保護(hù)電路P-端又重新接上，電芯又能進(jìn)行正常的充放電。
（5）過流保護(hù)
由于MOs開關(guān)管飽和導(dǎo)通時也存在內(nèi)阻，所以有電流流過時MOs開關(guān)管的D、S極間就會產(chǎn)生壓降，保護(hù)控制IC會實時檢測MOs開關(guān)管D、S極的電壓，當(dāng)電壓升到IC保護(hù)門限值（一般為0.15V，稱為放電過流檢測電壓）時，其放電保護(hù)執(zhí)行端馬上輸出低電平，放電控制MOs開關(guān)管關(guān)斷，放電回路被斷開。
在圖7中，DW01通過接在V-端和VSS端之間的電阻R2實時檢測MOs開關(guān)管上的壓降。當(dāng)負(fù)載電流增大時，Q1或Q2上的壓降也必然增大，當(dāng)該壓降達(dá)到0.2V時，DWO1便判斷負(fù)載電流到達(dá)了極限值，于是其①腳電壓降為0V，8205A內(nèi)部的放電控制管Q1關(guān)閉，切斷電芯的放電回路。實現(xiàn)過電流保護(hù)。
（6）過溫保護(hù)
保護(hù)板上的T端口為過溫保護(hù)端，與用電器的CPU相連。常見的過溫保護(hù)電路較簡單，就是在T端與P-端接一只NTC電阻（見圖7中的R4），該電阻緊貼電芯安裝。當(dāng)用電器長時間處于大功率工作狀態(tài)時（如手機(jī)長時間處于通話狀態(tài)），電芯溫度會上升，則NTC阻值會逐漸下降，用電器的CPU對NTC阻值進(jìn)行檢測，當(dāng)阻值下降到CPU設(shè)定閾值時，CPU立即發(fā)出關(guān)機(jī)指令，讓電池停止對其供電，只維持很小的待機(jī)電流，從而達(dá)到保護(hù)電池的目的。
【提示】當(dāng)保護(hù)板處于保護(hù)狀態(tài)時，可以短接B-、P-端來激活保護(hù)板，這時控制芯片的充、放電保護(hù)執(zhí)行端（OC、OD）均會輸出高電平，讓MOs開關(guān)管導(dǎo)通。
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