锂电池保护板原理详细分析---下篇

锂电池（可充型）之所以需求维护，是由它自身特性决议的。因为锂电池自身的材料决议了它不能被过充、过放、过流、短路及超高温充放电，因而锂电池锂电组件总会跟着一块精致的维护板和一片电流保险器呈现。锂电马工带你看看锂电保护板！

典型的锂电池保护电路

由于锂电池的化学特性，在正常使用过程中，其内部进行电能与化学能相互转化的化学正反应，但在某些条件下，如对其过充电、过放电和过电流将会导致电池内部发生化学副反应，该副反应加剧后，会严重影响电池的性能与使用寿命，并可能产生大量气体，使电池内部压力迅速增大后爆炸而导致安全问题，因此所有的锂电池都需要一个保护电路，用于对电池的充、放电状态进行有效监测，并在某些条件下关断充、放电回路以防止对电池发生损害

下图为一个典型的锂电池保护电路原理图。

如上图所示，该保护回路由两个ＭＯＳＦＥＴ（Ｖ１、Ｖ２）和一个控制ＩＣ（Ｎ１）外加一些阻容元件构成。控制ＩＣ负责监测电池电压与回路电流，并控制两个ＭＯＳＦＥＴ的栅极，ＭＯＳＦＥＴ在电路中起开关作用，分别控制着充电回路与放电回路的导通与关断，Ｃ３为延时电容，该电路具有过充电保护、过放电保护、过电流保护与短路保护功能，其工作原理分析如下：

１、正常状态

在正常状态下电路中Ｎ１的“ＣＯ”与“ＤＯ”脚都输出高电压，两个ＭＯＳＦＥＴ都处于导通状态，电池可以自由地进行充电和放电，由于ＭＯＳＦＥＴ的导通阻抗很小，通常小于３０毫欧，因此其导通电阻对电路的性能影响很小。此状态下保护电路的消耗电流为μＡ级，通常小于７μＡ。

２、过充电保护

锂离子电池要求的充电方式为恒流／恒压，在充电初期，为恒流充电，随着充电过程，电压会上升到４．２Ｖ（根据正极材料不同，有的电池要求恒压值为４．１Ｖ），转为恒压充电，直至电流越来越小。电池在被充电过程中，如果充电器电路失去控制，会使电池电压超过４．２Ｖ后继续恒流充电，此时电池电压仍会继续上升，当电池电压被充电至超过４．３Ｖ时，电池的化学副反应将加剧，会导致电池损坏或出现安全问题。在带有保护电路的电池中，当控制ＩＣ检测到电池电压达到４．２８Ｖ（该值由控制ＩＣ决定，不同的ＩＣ有不同的值）时，其“ＣＯ”脚将由高电压转变为零电压，使Ｖ２由导通转为关断，从而切断了充电回路，使充电器无法再对电池进行充电，起到过充电保护作用。而此时由于Ｖ２自带的体二极管ＶＤ２的存在，电池可以通过该二极管对外部负载进行放电。在控制ＩＣ检测到电池电压超过４．２８Ｖ至发出关断Ｖ２信号之间，还有一段延时时间，该延时时间的长短由Ｃ３决定，通常设为１秒左右，以避免因干扰而造成误判断。

３、短路保护

电池在对负载放电过程中，若回路电流大到使Ｕ＞０．９Ｖ（该值由控制ＩＣ决定，不同的ＩＣ有不同的值）时，控制ＩＣ则判断为负载短路，其“ＤＯ”脚将迅速由高电压转变为零电压，使Ｖ１由导通转为关断，从而切断放电回路，起到短路保护作用。短路保护的延时时间极短，通常小于７微秒。其工作原理与过电流保护类似，只是判断方法不同，保护延时时间也不一样。除了控制ＩＣ外，电路中还有一个重要元件，就是ＭＯＳＦＥＴ，它在电路中起着开关的作用，由于它直接串接在电池与外部负载之间，因此它的导通阻抗对电池的性能有影响，当选用的ＭＯＳＦＥＴ较好时，其导通阻抗很小，电池包的内阻就小，带载能力也强，在放电时其消耗的电能也少。

４、过电流保护

由于锂离子电池的化学特性，电池生产厂家规定了其放电电流最大不能超过２Ｃ（Ｃ＝电池容量／小时），当电池超过２Ｃ电流放电时，将会导致电池的永久性损坏或出现安全问题。电池在对负载正常放电过程中，放电电流在经过串联的２个ＭＯＳＦＥＴ时，由于ＭＯＳＦＥＴ的导通阻抗，会在其两端产生一个电压，该电压值Ｕ＝Ｉ＊ＲＤＳ＊２，ＲＤＳ为单个ＭＯＳＦＥＴ导通阻抗，控制ＩＣ上的“Ｖ－”脚对该电压值进行检测，若负载因某种原因导致异常，使回路电流增大，当回路电流大到使Ｕ＞０．１Ｖ（该值由控制ＩＣ决定，不同的ＩＣ有不同的值）时，其“ＤＯ”脚将由高电压转变为零电压，使Ｖ１由导通转为关断，从而切断了放电回路，使回路中电流为零，起到过电流保护作用。在控制ＩＣ检测到过电流发生至发出关断Ｖ１信号之间，也有一段延时时间，该延时时间的长短由Ｃ３决定，通常为１３毫秒左右，以避免因干扰而造成误判断。在上述控制过程中可知，其过电流检测值大小不仅取决于控制ＩＣ的控制值，还取决于ＭＯＳＦＥＴ的导通阻抗，当ＭＯＳＦＥＴ导通阻抗越大时，对同样的控制ＩＣ，其过电流保护值越小。

５、过放电保护

电池在对外部负载放电过程中，其电压会随着放电过程逐渐降低，当电池电压降至２．５Ｖ时，其容量已被完全放光，此时如果让电池继续对负载放电，将造成电池的永久性损坏。在电池放电过程中，当控制ＩＣ检测到电池电压低于２．３Ｖ（该值由控制ＩＣ决定，不同的ＩＣ有不同的值）时，其“ＤＯ”脚将由高电压转变为零电压，使Ｖ１由导通转为关断，从而切断了放电回路，使电池无法再对负载进行放电，起到过放电保护作用。而此时由于Ｖ１自带的体二极管ＶＤ１的存在，充电器可以通过该二极管对电池进行充电。由于在过放电保护状态下电池电压不能再降低，因此要求保护电路的消耗电流极小，此时控制ＩＣ会进入低功耗状态，整个保护电路耗电会小于０．１μＡ。在控制ＩＣ检测到电池电压低于２．３Ｖ至发出关断Ｖ１信号之间，也有一段延时时间，该延时时间的长短由Ｃ３决定，通常设为１００毫秒左右，以避免因干扰而造成误判断。

在上述控制过程中可知，其过电流检测值大小不仅取决于控制IC的控制值，还取决于MOSFET的导通阻抗，当MOSFET导通阻抗越大时，对同样的控制IC，其过电流保护值越小。

5、短路保护

电池在对负载放电过程中，若回路电流大到使U>0.9V（该值由控制IC决定，不同的IC有不同的值）时，控制IC则判断为负载短路，其“DO”脚将迅速由高电压转变为零电压，使T2由导通转为关断，从而切断放电回路，起到短路保护作用。短路保护的延时时间极短，通常小于7微秒。其工作原理与过电流保护类似，只是判断方法不同，保护延时时间也不一样。

所有的锂电池都需要一个保护电路，用于对电池的充、放电状态进行有效监测，并在某些条件下关断充、放电回路以防止对电池发生损害！

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锂电池保护板的基础知识及常见不良分析

来源：锂电圈子

锂电池保护板是对串联锂电池组的充放电保护；在充满电时能保证各单体电池之间的电压差异小于设定值（一般±20mV），实现电池组各单体电池的均充，有效地改善了串联充电方式下的充电效果；同时检测电池组中各个单体电池的过压、欠压、过流、短路、过温状态，保护并延长电池使用寿命；欠压保护使每一单节电池在放电使用时避免电池因过放电而损坏。

成品锂电池组成主要有两大部分，锂电池芯和保护板，锂电池芯主要由正极板、隔膜、负极板、电解液组成；正极板、隔膜、负极板缠绕或层叠，包装，灌注电解液，封装后即制成电芯，锂电池保护板的作用很多人都不知道，锂电池保护板，顾名思义就是保护锂电池用的，锂电池保护板的作用是保护电池不过放、不过充、不过流，还有就是输出短路保护。

01

锂电池保护板组成

1、控制ic，2、开关管，另外还加一些微容和微阻而组成。控制ic 作用是对电池的保护，如达到保护条件就控制mos进行断开或闭合（如电池达到过充、过放、短路、过流、等保护条件），其中mos管的作用就是开关作用，由控制ic开控制。

锂电池（可充型）之所以需要保护，是由它本身特性决定的。由于锂电池本身的材料决定了它不能被过充、过放、过流、短路及超高温充放电，因此锂电池锂电组件总会跟着一块精致的保护板和一片电流保险器出现。锂电池的保护功能通常由保护电路板和PTC协同完成，保护板是由电子电路组成，在-40℃至+85℃的环境下时刻准确的监视电芯的电压和充放回路的电流。

02

保护板的工作原理

1、过充保护及过充保护恢复

当电池被充电使电压超过设定值VC(4.25-4.35V，具体过充保护电压取决于IC)后，VD1翻转使Cout变为低电平，T1截止，充电停止.当电池电压回落至VCR(3.8-4.1V，具体过充保护恢复电压取决于IC)时，Cout变为高电平，T1导通充电继续， VCR必须小于VC一个定值，以防止频繁跳变。

2、过放保护及过放保护恢复

当电池电压因放电而降低至设定值VD（2.3-2.5V，具体过充保护电压取决于IC）时， VD2翻转，以短时间延时后，使Dout变为低电平，T2截止，放电停止，当电池被置于充电时，内部或门被翻转而使T2再次导通为下次放电作好准备。

3、过流、短路保护

当电路充放回路电流超过设定值或被短路时，短路检测电路动作，使MOS管关断，电流截止。

03

保护板主要零件的功能介绍

R1： 基准供电电阻；与IC内部电阻构成分压电路，控制内部过充、过放电压比较器的电平翻转；一般在阻值为330Ω、470Ω比较多；当封装形式（即用标准元件的长和宽来表示元件大小，如0402封装标识此元件的长和宽分别为1.0mm和0.5mm）较大时，会用数字标识其阻值，如贴片电阻上数字标识473， 即表示其阻值为47000Ω即47KΩ（第三位数表示在前两位后面加0的位数）。

R2： 过流、短路检测电阻；通过检测VM端电压控制保护板的电流 ，焊接不良、损坏会造成电池过流 、短路无保护，一般阻值为1KΩ、2KΩ较多。

R3：ID识别电阻或NTC电阻（前面有介绍）或两者都有。

总结：电阻在保护板中为黑色贴片，用万用表可测其阻值，当封装较大时其阻值会用数字表示，表示方法如上所述，当然电阻阻值一般都有偏差，每个电阻都有精度规格，如10KΩ电阻规格为+/－5％精度则其阻值为9.5KΩ －10.5KΩ范围内都为合格。

C1、C2： 由于电容两端电压不能突变，起瞬间稳压和滤波作用。总结：电容在保护板中为黄色贴片，封装形式0402较多，也有少数0603封装(1.6mm长,0.8mm宽)；用万用表检测其阻值一般为无穷大或MΩ级别；电容漏电会产生自耗电大，短路无自恢复现象。FUSE：普通FUSE或PTC（Positive Temperature Coefficient的缩写，意思是正温度系数）；防止不安全大电流和高温放电的发生，其中PTC有自恢复功能。

总结：FUSE在保护板中一般为白色贴片，LITTE公司提供FUSE会在FUSE上标识字符D-T，字符表示意思为FUSE能承受的额定电流，如表示D额定电流为0.25A，S为4A，T为5A等。

U1： 控制IC；保护板所有功能都是IC通过监视连接在VDD-VSS间的电压差及VM-VSS间的电压差而控制C-MOS执行开关动作来实现的。

Cout： 过充控制端；通过MOS管T2栅极电压控制MOS管的开关。

Dout： 过放、过流、短路控制端；通过MOS管T1栅极电压控制MOS管的开关。

VM： 过流、短路保护电压检测端；通过检测VM端的电压实现电路的过流、短路保护

（U（VM）=I*R（MOSFET））。

总结：IC在保护板中一般为6个管脚的封装形式，其区别管脚的方法为：在封装体上标识黑点的附近为第1管脚，然后逆时针旋转分别为第2、3、4、5、6管脚；如封装体上无黑点标识，则正看封装体上字符左下为第1管脚，其余管脚逆时针类推）C-MOS：场效应开关管；保护功能的实现者 ；连焊、虚焊、假焊、击穿时会造成电池无保护、无显示、输出电压低等不良现象。

总结：CMOS在保护板中一般为8个管脚的封装形式，它时由两个MOS管构成，相当于两个开关，分别控制过充保护和过放、过流、短路保护；其管脚区分方法和IC一样。

在保护板正常情况下，Vdd为高电平，Vss、VM为低电平，Dout、Cout为高电平；当Vdd、Vss、VM任何一项参数变换时，Dout或Cout的电平将发生变化，此时MOSFET执行相应的动作（开、关电路），从而实现电路的保护和恢复功能。

04

保护板常见不良分析

一、 无显示、输出电压低、带不起负载：

此类不良首先排除电芯不良（电芯本来无电压或电压低），如果电芯不良则应测试保护板的自耗电，看是否是保护板自耗电过大导致电芯电压低。如果电芯电压正常，则是由于保护板整个回路不通（元器件虚焊、假焊、FUSE不良、PCB板内部电路不通、过孔不通、MOS、IC损坏等）。具体分析步骤如下：

（一）、用万用表黑表笔接电芯负极，红表笔依次接FUSE、R1电阻两端，IC的Vdd、Dout、Cout端，P+端（假设电芯电压为3.8V），逐段进行分析，此几个测试点都应为3.8V。若不是，则此段电路有问题。

1. FUSE两端电压有变化：测试FUSE是否导通，若导通则是PCB板内部电路不通；若不导通则FUSE有问题（来料不良、过流损坏（MOS或IC控制失效）、材质有问题（在MOS或IC动作之前FUSE被烧坏），然后用导线短接FUSE，继续往后分析。

2. R1电阻两端电压有变化：测试R1电阻值，若电阻值异常，则可能是虚焊，电阻本身断裂。若电阻值无异常，则可能是IC内部电阻出现问题。

3. IC测试端电压有变化：Vdd端与R1电阻相连。Dout、Cout端异常,则是由于IC虚焊或损坏。

4. 若前面电压都无变化，测试B-到P+间的电压异常，则是由于保护板正极过孔不通。

（二）、万用表红表笔接电芯正极，激活MOS管后，黑表笔依次接MOS管2、3脚，6、7脚，P-端。

1.MOS管2、3脚，6、7脚电压有变化,则表示MOS管异常。

2.若MOS管电压无变化，P-端电压异常，则是由于保护板负极过孔不通。

二、 短路无保护：

1. VM端电阻出现问题：可用万用表一表笔接IC2脚，一表笔接与VM端电阻相连的MOS管管脚，确认其电阻值大小。看电阻与IC、MOS管脚有无虚焊。

2. IC、MOS异常：由于过放保护与过流、短路保护共用一个MOS管，若短路异常是由于MOS出现问题，则此板应无过放保护功能。

3. 以上为正常状况下的不良，也可能出现IC与MOS配置不良引起的短路异常。如前期出现的BK-901，其型号为‘312D’的IC内延迟时间过长，导致在IC作出相应动作控制之前MOS或其它元器件已被损坏。注：其中确定IC或MOS是否发生异常最简易、直接的方法就是对有怀疑的元器件进行更换。

三、 短路保护无自恢复：

1. 设计时所用IC本来没有自恢复功能,如G2J，G2Z等。

2. 仪器设置短路恢复时间过短，或短路测试时未将负载移开，如用万用表电压档进行短路表笔短接后未将表笔从测试端移开（万用表相当于一个几兆的负载）。

3. P+、P-间漏电，如焊盘之间存在带杂质的松香，带杂质的黄胶或P+、P-间电容被击穿,IC Vdd到Vss间被击穿.（阻值只有几K到几百K）。

4. 如果以上都没问题，可能IC被击穿，可测试IC各管脚之间阻值。

四、 内阻大：

1. 由于MOS内阻相对比较稳定，出现内阻大情况，首先怀疑的应该是FUSE或PTC这些内阻相对比较容易发生变化的元器件。

2. 如果FUSE或PTC阻值正常，则视保护板结构检测P+、P-焊盘与元器件面之间的过孔阻值，可能过孔出现微断现象，阻值较大。

3. 如果以上多没有问题，就要怀疑MOS是否出现异常：首先确定焊接有没有问题；其次看板的厚度（是否容易弯折），因为弯折时可能导致管脚焊接处异常；再将MOS管放到显微镜下观测是否破裂；最后用万用表测试MOS管脚阻值，看是否被击穿。

五、 ID异常：

1. ID电阻本身由于虚焊、断裂或因电阻材质不过关而出现异常：可重新焊接电阻两端，若重焊后ID正常则是电阻虚焊，若断裂则电阻会在重焊后从中裂开。

2. ID过孔不导通：可用万用表测试过孔两端。

3. 内部线路出现问题：可刮开阻焊漆看内部电路有无断开、短路现象。

来源：锂电圈子

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