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3.7v锂电池保护板原理图之保护电路工作原理分析2021-03-26 08:40

单节锂电池的正常输出电压约为3.7V,可直接作为手机、MP3/MP4及部分小屏幕的平板电脑的电源。对于需要较高电压的电器而言,如移动DVD/EVD或大屏幕平板电脑,这时可用多节锂电池串联得到所需电压,如一款需11.1V供电的平板电脑,则配用电池组件为三块串联的锂电池。单节锂电池与多节串联锂电池的保护电路有所不同,下面分别举例分析。

       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较多,但工作原理相差不大,下面以在手机中用得较多的一种电路为例进行分析,供参考。

  该电路的控制芯片为DW01(或312F) , MOS开关管为8205A,如图6所示,B+、B-分别是接电芯的正、负极;P+、P -分别是保护板输出的正、负极; T为温度电阻(NTC)端口,一般需要与用电器的CPU配合才能进行保护控制。

  DWO1或312F是一款锂电池保护芯片,内置有高精确度的电压检测与时间延迟电路,主要参数如下:过充检测电压为3V,过充释放电压为4.05V;过放检测电压为2.5V,过放释放电压为3.0V ;过流检测电压为5V,短路电流检测电压为1.0V;DW01允许电池输出的最大电流是3.3A。该芯片的引脚功能见表1。

  3.7v锂电池保护板原理图之保护电路工作原理分析

  (1)正常工作

  该保护板的电路如图7所示,当电芯电压在2.5V~4.3V之间时,DW01的①、③脚均输出高电平(等于供电电压),②脚电压为0V。此时8205A内的两只N沟道场效应管Q1、Q2均处于导通状态,由于8205A的导通电阻很小,相当于D、S极间直通,此时电芯的负极与保护电路的P-端相当于直接连通,保护电路有电压输出,其电流回路如下:B+→P+→负载。P-→8205A的②、③脚→8205A的①脚→8205A的⑧脚→8205A的⑥、⑦脚→B-。

  3.7v锂电池保护板原理图之保护电路工作原理分析

  【提示】在此电路中,8205A内部场效应管Q1、Q2可等效为两只开关,当Q1或Q2的G极电压大于1V时,开关管导通,D、S间内阻很小(数十毫欧姆),相当于开关闭合;当G极电压小于0.7V时,开关管截止,D、S极间的导通内阻很大(几兆欧姆),相当于开关断开。

  (2)过放电保护

  当电芯通过外接的负载进行放电时,电芯两端的电压将慢慢降低,同时DW01内部将通过电阻R1实时监测电芯电压,当电芯电压下降到2.3V(通常称为过放保护电压)时,DWO1认为电芯已处于过放电状态,其①脚电压变为0, 8205A内Q1截止,此时电芯的B-与-之间处于断开状态,即电芯的放电回路被切断,电芯将停止放电。

  进入过放电保护状态后,电芯电压会上升,若能上升到IC的门限电压(一般为3.1V,通常称为过放保护恢复电压),DW0的①脚恢复输出高电平,8205A内的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,只要给保护电路的P+与P-端间加上充电电压,DW0经B一端检测到充电电压后,便立即从③脚输出高电平,8205A内的Q2导通,即电芯的B-保护电路的P-通,充电器对电芯充电,其电流回路如下:充电器正极→p+→B+→B-、8205A的⑥、⑦脚→8205A的⑧脚→8205A的①脚→8205A的②、③脚→P-→充电器负极。

  (4)过充电保护

  充电时,当电池通过充电器正常充电时,随着充电时间的增加,电芯两端的电压将逐渐升高,当电芯电压升高到4.4V(通常称为过充保护电压)时,DW01将判断电芯已处于过充电状态,便立即使③脚电压降为0V, 8205A内的Q2因④脚为低电平而截止,此时电芯的B一极与保护电路的P-端之间处于断开状态并保持,即电芯的充电回路被切断,停止充电。

  当保护电路的P+与P-端接上放电负载后,虽然Q2截止,但其内部的二极管正方向与放电回路的电流方向相同,所以仍可对负载放电。当电芯两端电压低于4.3V(通常称为过充保护恢复电压)时,DW01将退出过充电保护状态,③脚重新输出高电平,Q2导通,即电芯的B-端与保护电路P-端又重新接上,电芯又能进行正常的充放电。

  (5)过流保护

  由于MOs开关管饱和导通时也存在内阻,所以有电流流过时MOs开关管的D、S极间就会产生压降,保护控制IC会实时检测MOs开关管D、S极的电压,当电压升到IC保护门限值(一般为0.15V,称为放电过流检测电压)时,其放电保护执行端马上输出低电平,放电控制MOs开关管关断,放电回路被断开。

  在图7中,DW01通过接在V-端和VSS端之间的电阻R2实时检测MOs开关管上的压降。当负载电流增大时,Q1或Q2上的压降也必然增大,当该压降达到0.2V时,DWO1便判断负载电流到达了极限值,于是其①脚电压降为0V, 8205A内部的放电控制管Q1关闭,切断电芯的放电回路。实现过电流保护。

  (6)过温保护

  保护板上的T端口为过温保护端,与用电器的CPU相连。常见的过温保护电路较简单,就是在T端与P-端接一只NTC电阻(见图7中的R4),该电阻紧贴电芯安装。当用电器长时间处于大功率工作状态时(如手机长时间处于通话状态),电芯温度会上升,则NTC阻值会逐渐下降,用电器的CPU对NTC阻值进行检测,当阻值下降到CPU设定阈值时,CPU立即发出关机指令,让电池停止对其供电,只维持很小的待机电流,从而达到保护电池的目的。

  【提示】当保护板处于保护状态时,可以短接B-、P-端来激活保护板,这时控制芯片的充、放电保护执行端(OC、OD)均会输出高电平,让MOs开关管导通。

  2.多节电池保护电路

  锂电池充放电控制芯片UCC3957可对3或4节锂电池组提供过充电、过放电及过流等保护,具体而言:该芯片对电池组内的每一节电池电压进行采样,并与内部的精密基准电压进行比较,当任意一节电池处于过压或欠压状态时,芯片就会进行相应的控制,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、Q2为P沟道MOSFET管,分别控制充电和放电电流。

  3.7v锂电池保护板原理图之保护电路工作原理分析

  (1)电池组的连接

  电池组与IC连接要注意顺序。电池组的底端连接到UCC3957(U1)的AN4端,顶端连接到VDD端,每两节电池的连接点按相应顺序连接到AN1~AN3端。

  当电池组为3节电池时,U1的②脚(CLCNT端)与16脚(DVDD端)相连,同时将⑥脚(AN3端)与⑦脚(AN4端)相连;当电池组为4节电池时,②脚接地(即连到AN4端)。

  (2)放电

  U1具有智能放电功能。放电时,U1的13脚输出低电平,放电开关Q2导通,锂电池组经Q2及Q1内的二极管向负载供电。当负载所需电流较大时,通过电流检测电阻RS两端的压降也较大,当超过15mV(对应0.6A的放电电流)时,则U1的③脚输出低电平,充电开关管Q1导通,从而提高电池组的放电能力。

  (3)欠压保护

  当检测到任一节电池处于过放电时(低于欠压阈值),U1的③脚、13脚输出高电平,同时关断Q1,Q2、U1进入休眠状态,此时芯片的工作电流仅为3.5μA。只有当③脚电压升到VDD时,芯片检测到后才会退出休眠状态。

  (4)充电

  当接入充电器时,开关S1闭合,U1的⑨脚(CHGEN端)与16脚(DVDD)相通,U1的③脚输出低电平,充电开关管Q1导通,电池组充电。

  在充电期间,如果U1处于休眠状态,则放电开关管Q2仍然关断,充电电流经Q2内的二极管对电池组充电。当每节电池的电压均高于欠压ON值时,Q2导通。

  (5)过流保护

  为了适应大的电容负载,UCC3957设有两个过流阈值电压,每一个阈值电压又可以设定不同的延迟时间,即采用二级过流保护模式。这种二级过流保护既可对短路提供快速的响应,又可使电池组承受一定的浪涌电流,以防止因滤波电容容量较大而引起不必要的过流保护动作。

  电流检测电阻RS接在U1的⑦脚(AN4)与⑧脚(BATLO)之间。当RS两端的压降超过某一阈值时,过流保护进入间歇模式。在这一模式下,放电开关管Q2周期性地关断与导通,直到故障排除。一旦故障排除,芯片自动恢复到常规工作状态。

  第一级过流保护阈值为0.15V(对应的输出电流为6A),且持续时间超过U1设定的时间(由U1的⑩脚(CDLY1)和地之间的电容C4设定),则U1进入间歇工作模式,其输出脉冲的占空比约为6%,即开关管的关断时间大约是导通时间的16倍。

  第二级过流阈值为0.375V(对应的输出电流为15A),且持续时间超过U1设定的时间(由U1的14脚(CDLY2)和地之间的电容C3设定),则U1进入间歇工作模式,其输出脉冲的占空比小于1%,即开关管的关断时间大约是导通时间的100倍。

  (6)过压保护

  如果某一节电池的充电电压超过充电阂值,则U1的③脚输出高电平,充电开关管Q1关断,进入过压保护状态。

  另外,如果电池组与U1的④~⑥脚(AN 1 -AN3)的连线断路,则U1也将进入过压保护状态。

  锂电3.7v保护板改装电路图

  现在国内锂电池,3.7v良莠不齐,在放电电压在2.8v左右基本是极限了,如果到2.5v,好的电池还能充几次。一般的电池,基本报废。我买的保护板,有两种芯片(DW01、8205A),DW01取样芯片,8205A功率驱动芯片。DW01取样:过放电压在2.35v~2.5v,过冲4.0v~4.19v。要是买了这两个芯片的保护板,国内的锂电池3.7v基本报废,无报废的也充不了几次电。

  解决办法:

  ①头尾并联1N5822( 肖特基二极管),1N5822正向电压0.52v,加上2.35v等于2.87v。

  ②1N5822串联到B+或B-极上。

  ③然后将3.7v电池串联在B或+B-上,这时保护板就算在2.35v但实际电池电压在2.87v。有效保护过放。

  说明:电池不能焊在保护板上,如果焊接,电池在充电会有0.52v损失,最好方法就是不焊接,用标准3.7V充电器充电,这样既能电池充满,在使用时又不会过放。

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