锂电池 保护电路 锂电池保护电路原理

锂电池保护电路原理

最近忙着出货处理，所以一直没有更新，今天看到留言里有个朋友说公司是做锂电池的，据我所知，目前我们手机使用的应该都是化合物电池，而锂电池应该在之前几年比较流行，像是 MP3 播放器，PDA，数码摄像机等等。

这个朋友留言问锂电池里面的线路板起什么作用，这个线路板的基本作用就是保护，但是为了更加清楚的了解原理，我们需要了解锂电池的组成和工作。

锂电池也分为两种，一种是可充电的二次电池，我们称为锂离子电池，一般使用在我们以前的笔记本电脑，手机，PDA 等价格比较高的产品中，另一种是不可充电的一次电池，我们也称为锂电池，一般使用在耗电量低的便携式电子产品中。

锂离子电池在正常使用时，电池内部的化学能和电能进行互相转化，但是如果我们过充、过放或者过流都会导致电池内部化学能产生副反应，之后在使用过程中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，就是为了防止这些问题发生，所以锂离子电池内部都设有一块保护线路。

我从网上下载了一个比较常见的锂离子电池保护线路，如下图所示：

这个保护线路是由两个 MOS 管 V1、V2 和一个控制 IC 外加一些阻容元器件共同构成，控制芯片负责检测电池电压与回路电流，并控制两个 MOS 的栅极、MOS 管在电路中起到开关作用，分别控制着充电回路和放电回路的导通和关断，C3 为延时电容，这个电路看着简单，但是却具有过充电保护、过放电保护、过电流保护及短路保护的功能。

在电池正常状态下，电路中 N1 的 CO 和 DO 都处于高电位，两个 MOS 管都处于导通状态，电池可以自由的进行充放电。

在电池处于过充过程中，如果充电器电路失去控制，在没有保护线路时，电池电压超过 4.2 后继续恒流充电，当电压超过 4.3V 时，电池的化学负反应会加剧，会导致电池损坏或出现安全问题。

但是在带有保护线路的锂离子电池中，当控制芯片检测到电池电压达到芯片内部设置的一个值时，CO 脚会由高电位转换为零电压，V2 就会从导通转为关断，从而切断充电回路，使充电器无法再对电池进行充电操作，起到了保护作用。而且由于 V2 自带二极管 VD2 的存在，所以电池可以通过二极管对外部负载进行放电。

为了避免芯片出现误判动作，所以在电池电压超过芯片设定的一个值后到关断 MOS 管之间有一个缓冲时间，这个时间是由 C3 决定的，依照标准，一般设定为 1 秒。

过放电操作主要是芯片检测到电池电压低于某一个设定值后，DO 的电压由高电位转化为零电压，V1 由导通转为截止，从而切断了放电的回路，电池无法对负载进行放电操作，但是 V1 自带二极管 VD1，所以充电器可以通过这个二极管对电池进行充电操作。

过流保护依靠的是芯片上的 V- 脚对回路电流进行检测，如果电流大到设定值后，V1 也会自动翻转截止。

短路保护则是判断电池瞬时电流大于某一个值时，就会自动触发短路保护机制，DO 则会进行翻转，V1 进行关断操作。

锂电池保护电路解析

1. Li+电池保护电路

锂离子（Li+）电池虽然具有能量密度高、使用寿命长、无记忆效应、自放电量较低及单节电池电

压高等诸多优点,但在使用时需严格注意过压保护、过放电保护和过流保护,而且对保护电路的精度要求也

较高,图 1所示电路是利用 MAX1666 构成的一个完整的 Li+ 电池保护器。MAX1666S/V/X 可分别为 2节/3 节

/4 节 Li+电池组提供保护,其中包括：过充电保护、过放电保护、电池失配保护以及过流保护。 过压检测

功能还可有效避免电池组中的任何一节电池出现过充电,当电池电压超出设置门限时, , 输出

高电平,场效应管 Q2、Q3 被断开而终止充电过程, 输出低电平,向电池组控制器发出报警信号。电池

最高电压门限 由外部电阻 R1、R2确定,其可设置范围为 4V～4.4V。

欠压检测电路可用于防止

电池出现过放电现象,当检测到电池电压低于所设置门限 时,UVO, , 输出高电平,

保持低电平,开关管 Q3、Q1 开路,Q2 导通,电池处于涓流充电状态,使电池电压得以恢复。电池低电压检测

门限 可通过 R3、R4设置,设置范围为 2V～3V。

当电池组中任意两节失配时, 、 、U-VO 和 均为高电平,相应的开关管 Q1～Q3 均

断开, 为低电平从而向控制器发出中断信号。 适配电压检测门限 可由 R5、R6 设置。

2. 结构紧凑的 Li+电池充电器

锂离子电池（Li+）以其高能量密度和高性能被广

泛应用于手机、PDA、笔记本电脑等产品中。图 2所示电路是一种结构紧凑的单节 Li+电池充电电路,图中

的墙上适配器为 6VDC/800mA 限流型电压源,MAX1679 内置充电终止检测电路和充电过程控制器, 插入电池

或给充电器上电都将启动一次充电过程。一次完整的充电过程包括：①初始化充电过程;在该过程中系统以

较小的充电电流为电池充电, 以使用率电池电压大于 2.5V。如果温度范围超出 2.5℃到 47.5℃,充电器则

处于等待状态。②快充过程;当快充开始后,MAX1679 打开外接的 P 沟道场效应管,快充电流由外部限流型充

电电源决定。一旦系统检测到电池电压达到 Li+电池充电终止门限电压时,快充结束。充电终止门限电压由

电阻 确定。③脉冲充电过程;快充过程结束后,系统进入脉冲充电过程,MAX1679 每隔 2ms 检测一次电

电压,电池电压小于终止门限 时,外部 P沟道场效应管

导通,电池电压大于终止门限时,P 沟通道场效应管（P1）断开,在脉冲充电过程接近结束时, P 沟道场效应

管得断开时间远远大于接通时间。

该电路除了具有电池电压检测外,MAX1679还具有超时检测和温度检测功能,这可为电池提供二次保

护。需要检测温度时,应在 THERM 引脚与 BATT-引脚间接一热敏电阻,并将热敏电阻靠近电池安装。当 TSEL

引脚接 BATT+、ADJ 或 GND 时,所对应的充电限制时间为 2.8 小时、3.75 小时和 6.25 小时。选择 P1 时要考

虑漏源间的击穿电压、最小导通门限电压、额定电流及功率损耗等参数, 漏源击穿电压至少要高于开路状

态下墙上适配器电压的 25%。

图 2中的 LED 用于指示充电状态,LED 闪烁频率与充电状态的对应关系如表 1所列。

3. Nicd 电池充电器

镍镉（Nicd）电池是最早应用的可充电电池,其能量密度和重量密度相对较低,但是,由于成本较低,

目前仍在许多产品中被选用,如无绳电话、便携式仪表等。Nicd 电池充电终止检测方式一般采用-△V 检测、

超时检测、电池温度检测和电池温度上升率检测。在快充方式下,通常选用-△V检测与超时、温度检测相

配合的方式。

图 3为利用 MAX713 构成的 Nicd 电池单机充电器,可充 1至 16节电池。图中, MAX713 内置充电终

止检测算法（-△V检测、超时检测、电池温度检测）,快速充电结束后可自动切换到涓流充电,以补充 Nicd

电池的自放电。DCIN 接墙上适配器的输出,墙上适配器的最低输出电压应高于：2V+（1.9V×电池节数）;

最高电压取决于 P 沟道 MOSFET 的击穿电压和输入旁路电容的耐压值。当 DCIN 低于 15V 时,MAX713 的 DRV

引脚直接与 Q1、Q2连接;DCIN 高于 15V 时,接入 Q3;R4 用于为 Q1、Q2提供适当的电压摆幅。限流二极管

D4 扩大了输入电压范围,并为 MAX713 内部并联稳压源提供固定的 8mA 电流,如果墙上适配器提供的输出电

压范围较窄,则可以用电阻替代 D4。 根据所要求的充电速率和电池容量可算出所要求的充电电流 ,

由公式 可确定限流电阻 的大小。改变 PGM0～PGM4 的接法可设置电池节

数和充电限制时间(参考表 2、表 3)。图 3中 L1 的电感量为 220μH,饱和电流为 1.5A。该电路对电感值的

要求并不严格,电感值越大,电流纹波越小。

为 Nicd 电池充电时,不完全放电会使电池的镉阳极变为镉氧化物,从而造成电池端电压下降,为消

除电池的记忆效应,图 3中虚线框内的预处理电路能够使电池充电前完全放电。如用 MAX712 替代 MAX713,

并去掉虚线框内电路,则图 3也可用于 NiMH 电池的充电。

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