分析锂电池充放电保护电路的特点和工作原理

锂在元素周期表中的第三个位置. 由于外层中的电子数为1，因此容易丢失并形成稳定的结构，因此锂是非常活泼的金属. 由锂制成的锂离子电池具有放电电流大，内阻低，寿命长，无记忆效应等优点，目前已被广泛使用. 但是，在使用锂离子电池时，严禁过度充电，过度放电和短路，否则会导致电池寿命缩短或起火，爆炸等事故，因此可充电锂电池将被连接到充电和放电保护电路板（通常称为保护板），用于保护电池的安全，如图1所示.

锂电池的保护功能通常由保护电路板和PTC完成. 保护板由电子组件组成. 它可以在-40℃〜+85℃的环境下随时准确地监控电池电压和充电和放电电路的电流. 并及时控制电流环的通断； PTC的主要功能是在高温环境下提供保护，以防止电池燃烧，爆炸和其他恶性事故.

[提示] PTC是正温度系数的英文缩写，表示正温度系数电阻（温度越高，电阻值越大）. 该设备可以起到过电流保护的作用，即防止电池高温放电和不安全的大电流充电和放电. PTC器件由高分子量聚合物制成，并通过严格的工艺制成. 它们由聚合物醋基质和分布在内部的导电颗粒组成. 通常情况下，导电颗粒在醋中形成导电路径，并且该设备显示出低阻抗. 当电路中出现过电流现象时，流经PTC的大电流产生的热量会使聚合物醋基质的体积膨胀，从而切断导电颗粒之间的连接，从而保护电路免受过电流影响. 解决故障后，可以将组件自动恢复到初始状态，以确保电路正常运行.

首先，锂电池的充放电要求

1. 给锂电池充电

单节锂电池的最大充电终止电压为4.2V，并且不能过度充电，否则，由于正极上锂离子的流失过多，电池将报废. 给锂电池充电时，应使用专用的恒流恒压充电器. 在锂电池两端将恒流充电至4.2V之后，将其切换到恒压充电模式；当恒压充电电流降至100mA时，应停止充电.

充电电流（mA）可以是电池容量的0.1到1.5倍，例如: 1350mAh锂电池，充电电流可以控制在135mA和2025mA之间. 常规充电电流可以选择为电池容量的0.5倍左右，充电时间约为2至3小时.

2. 锂电池放电

由于锂电池的内部结构，在放电过程中所有锂离子都不能移动到正极. 一部分锂离子必须保留在负极中，以确保在下次充电时可以将锂离子平稳地插入通道中. 否则会缩短电池寿命. 为了确保放电后石墨层中残留一些锂离子，必须严格限制放电结束时的最低电压，即不能使锂电池过放电. 单节锂电池的放电终止电压通常为3.0V，最小值不能低于2.5V. 电池放电时间与电池容量和放电电流有关. 电池放电时间（小时）=电池容量/放电电流，锂电池的放电电流（mA）不得超过电池容量的3倍，例如: 1000mAh锂电池，放电电流应严格控制在3A以内，否则会导致电池损坏.

第二，保护电路的组成

保护电路通常由控制IC，MO开关管，熔断丝，电阻器，电容器等组成锂电池充放电电路图，如图2所示. 通常情况下，控制IC的输出信号控制MO的开关开关管使电池和外部电路导电. 当电池电压或环路电流超过指定值时，它将立即控制MOS管关闭以保护电池. 安全.

控制IC内置高精度电压检测电路和多电平电流检测电路. 其中，电压检测电路首先检测充电电压，一旦达到设定的阈值（通常为3.9V〜4.4V），便立即进入过充电保护状态. 第二种是在达到设定阈值（通常为2.0V〜3.0V）后检测放电电压，立即进入过放电保护状态.

在此电路中，MOS开关管主要使用薄型TSSOP -8或SOT23 -6封装，其外观如图3所示. 其中一些MOS开关管包含N沟道场效应管，例如FDMC7680，其①〜③脚为S极，④脚为G极，⑤〜⑧脚为D极. 有些包含两个N沟道场效应晶体管，例如FDW9926A，8205A等，其引脚功能与封装形式有关，如图5所示.

[提示]如果控制IC和MOs开关管上有一个小的圆形凹入点，则面向凹入点的插针为①插针；如果表面上没有凹点，则组件模型的左侧标有第一个管. 支脚为①支脚，其余销钉按逆时针方向排列. 另外，在更换MOS开关时，必须根据实际线路方向判断其内部电路，以进行正确的更换.

此环境的温度升高时，NTC元件的电阻会降低，并且电气设备或充电设备会及时做出反应. 如果温度超过一定值，则系统进入保护状态，停止充放电. ID是ID的缩写，表示身份识别，其信息识别组件分为两种类型: 一种是内存，通常是野兽线接口内存，用于存储电池类型和生产日期等信息. 另一个是抗识别性，两者都可以在产品可追溯性和应用限制方面发挥作用.

三，保护电路的工作原理分析

单节锂电池的正常输出电压约为3.7V，可直接用作手机，MP3 / MP4和某些小屏幕平板电脑的电源. 对于需要更高电压的设备，例如移动DVD / EVD或大屏幕平板电脑，可以串联使用多个锂电池以获得所需的电压. 对于需要11.1V电源的平板电脑，电池组件为串联的三节锂电池. 单节锂电池和多节串联锂电池的保护电路不同.

1. 单节锂电池保护电路

单节锂电池充放电保护电路的具体组成方案很多，但工作原理没有太大区别. 以下以手机中使用的电路为例进行分析.

此电路的控制芯片为DW01（或312F），而MOS开关为8205A. 如图6所示，B +和B-分别是电池芯的正极和负极. P +和P-分别是保护板的输出正负极. T是温度电阻（NTC）端口，通常需要配合电器的CPU进行保护控制.

DWO1或312F是具有内置高精度电压检测和延时电路的锂电池保护芯片. 主要参数如下: 过充电检测电压为3V，过充电解除电压为4.05V；过放电检测电压为2.5V，过放电解除电压为3.0V；过电流检测电压为5V，短路电流检测电压为1.0V； DW01允许电池输出的最大电流为3.3A. 该芯片的引脚功能如表1所示.

（1）正常工作

保护板的电路如图7所示. 当电池电压在2.5V至4.3V之间时，DW01的引脚①和③输出高电平（等于电源电压），并且引脚电压为0V. . 此时，8205A中的两个N沟道场效应晶体管Q1和Q2处于导通状态. 由于8205A的导通电阻非常小，因此等效于D极和S极之间的直接连接. 这时，电池的负极与保护电路P-的端子等效于直接连接，保护电路具有电压输出，其电流回路如下: B +→P +→负载. P-→8205A②，③脚→8205A①脚→8205A⑧脚→8205A⑥，⑦脚→B-.

[提示]在此电路中，8205A内部场效应晶体管Q1和Q2等效于两个开关. 当Q1或Q2的G极电压大于1V时，开关导通，并且D和S之间的内部电阻很小（数十毫欧），等效于开关闭合. 当G极的电压小于0.7V时，开关断开，D极和S极之间的内部电阻非常大（几兆欧），相当于开关断开.

（2）过放电保护

当电池通过外部负载放电时，电池两端的电压将逐渐降低，并且将通过DW01中的电阻器R1实时监视电池电压. 当电池电压降至2.3V（通常称为过放电保护电压）时，DWO1认为该电池已处于过放电状态，其①引脚电压变为0，切断了8205A中的Q1，并且B -和-的电池处于断开状态，即电池的放电电路断开，电池将停止放电.

进入过放电保护状态后，电池电压将上升. 如果它可以上升到IC阈值电压（通常为3.1V，通常称为过放电保护恢复电压），则DW0的①引脚恢复输出高电平，8205A中的Q1再次导通.

（3）电池充电

无论保护电路是否进入过放电状态，只要在保护电路的P +和P-端子之间施加充电电压，DW0就会通过B端子检测充电电压并立即输出在③引脚上的高电平上，在8205A Q2内导通，即，电池单元的B保护电路通过P通路，充电器为电池单元充电. 电流回路如下: 充电器正极→p +→B +→B-，8205A⑥，⑦脚→8205A⑧脚→8205A①脚→8205A②，③脚→P-→充电器负极.

（4）过充电保护

在充电时，当充电器正常为电池充电时，随着充电时间的增加，当电池电压升至4.4V（通常称为过充电保护电压）时，电池两端的电压将逐渐增加. 此时，DW01将判断电池已过充电，并立即将③引脚的电压降至0V，由于④引脚的低电平而将8205A中的Q2切断，然后电池的B极和P的P保护电路-端子处于断开状态并保持，即电池的充电电路被切断，充电停止.

当保护电路的P +和P-端子连接到放电负载时，尽管Q2已关闭，但内部二极管的正方向与放电电路的电流方向相同，因此负载可以仍然出院. 当电池两端的电压低于4.3V（通常称为过充电保护恢复电压）时，DW01将退出过充电保护状态，③引脚再次输出高电平，Q2导通，即Q2的B端. 重新连接保护电路的P端子，可以正常对电池进行充电和放电.

（5）过电流保护

由于MOs开关导通时内部电阻饱和，因此，当电流流过时，MOs开关的D极和S极之间会出现电压降. 保护控制IC将实时检测MO开关的D和S极. 电压，当电压上升到IC保护阈值（通常为0.15V，称为放电过电流检测电压）时，放电保护执行端子立即输出低电平，放电控制MOs开关断开，放电电路断开打开.

在图7中，DW01通过连接在V-和VSS端子之间的电阻R2实时检测MOs开关上的电压降. 当负载电流增加时，Q1或Q2上的电压降也必须增加. 当电压降达到0.2V时，DWO1判断负载电流已达到极限值，因此其①引脚电压降至0V，内部8205A放电控制管Q1闭合以切断电池的放电电路. 实现过电流保护.

（6）过热保护

保护板上的T端口是过热保护端子，该端子连接到电器的CPU. 通用的过热保护电路相对简单，即在T端子和P端子之间连接一个NTC电阻（参见图7中的R4）锂电池充放电电路图，并且该电阻安装在靠近电池芯的位置. 当电器长时间处于大功率工作状态（例如手机长时间处于通话状态）时，电池温度会升高，然后NTC电阻会逐渐降低，电器的CPU将检测NTC电阻. 当电阻减小时由CPU设置阈值时，CPU立即发出关机命令以停止电池供电，并且仅维持较小的待机电流，从而保护电池.

[提示]当保护板处于保护状态时，您可以将B-和P-端子短路以激活保护板，然后将控件的充放电保护执行端子（OC，OD）芯片将输出高电平以允许MOs开关导通.

2. 多节姐妹电池保护电路

锂电池充放电控制芯片UCC3957可以为3或4个锂电池组提供过充电，过放电和过流保护，具体来说: 该芯片对电池组中每个电池的电压进行采样，并与内部精密基准电压进行比较，当任何电池处于过压或欠压状态时，芯片都会执行相应的控制以防止进一步充电或放电. 其典型应用电路如图8所示. 图中Q1和Q2是P沟道MOSFET，分别控制充电和放电电流.

（1）电池组的连接

将电池组连接到IC时，请注意顺序. 电池组的下端连接到UCC3957（U1）的AN4端，高端连接到VDD端，每两节电池的连接点按相应顺序连接到AN1至AN3端.

当电池组是3块电池时，U1的②针（CLCNT端子）连接到16针（DVDD端子），同时将⑥针（AN3端子）和⑦针（AN4端子）连接；如果电池组是4电池，则②引脚接地（即连接到AN4端子）.

（2）放电

U1具有智能放电功能. 在放电期间，U1的引脚13输出低电平，放电开关Q2接通，并且锂电池组通过Q2和Q1中的二极管向负载供电. 当负载所需的电流较大时，电流检测电阻RS两端的电压降也较大. 当其超过15mV（对应于0.6A的放电电流）时，U1的③引脚输出低电平，并且充电开关管Q1导通，以提高电池组的放电容量.

（3）欠压保护

当检测到任何电池过放电（低于欠压阈值）时，U1引脚3和13均输出高电平，并且Q1关闭，Q2和U1进入睡眠状态，并且芯片的工作电流仅为3.5μA. 只有当③引脚的电压上升到VDD时，芯片才会被检测到进入睡眠状态.

（4）充电

连接充电器时，开关S1闭合，U1的⑨引脚（CHGEN端子）与16引脚（DVDD）连接，U1的③引脚输出低电平，充电开关管Q1为打开，电池已充电.

在充电过程中，如果U1处于睡眠状态，则放电开关Q2仍然断开，充电电流通过Q2中的二极管为电池组充电. 当每个电池的电压高于欠压开启值时，Q2接通.

（5）过电流保护

为了适应较大的容性负载，UCC3957提供了两个过电流阈值电压，每个电压可以设置不同的延迟时间，即使用两级过电流保护模式. 这种次级过电流保护不仅可以快速响应短路，还可以使电池组承受一定的浪涌电流，以防止由于较大的滤波电容器容量而引起的不必要的过电流保护作用.

电流检测电阻RS连接在U1的⑦引脚（AN4）和⑧引脚（BATLO）之间. 当RS两端的电压降超过某个阈值时，过电流保护将进入间歇模式. 在这种模式下，放电开关Q2定期断开和接通，直到故障消除. 排除故障后，芯片会自动返回正常工作状态.

第一级过流保护阈值为0.15V（相应的输出电流为6A），并且持续时间超过U1设置的时间（U1引脚（CDLY1）和地之间的电容器设置），U1进入间歇工作模式下，其输出脉冲的占空比约为6％，即开关的断开时间约为接通时间的16倍.

第二级过流阈值为0.375V（对应于输出电流为15A），持续时间超过了U1设置的时间（由U14引脚14（CDLY2）和地之间的电容器C3设置），然后是U1进入间歇工作模式时，其输出脉冲的占空比小于1％，即开关的断开时间约为接通时间的100倍.

（6）过压保护

如果某个电池的充电电压超过充电阈值，则U1的③引脚输出高电平，充电开关Q1断开，进入过压保护状态.

此外，如果电池组从U1的④到⑥引脚（AN 1 -AN3）断开，U1也将进入过压保护状态.

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