锂离子电池保护及监控电路

锂离子电池保护及监控电路
PTC聚合物保护元件是最简单的保护器，它可保护锂离子电池在充电或放电过程中不因过大充、放电流或短路而造成电池损害。但它解决不了在充电过程中的充电电压过高（过充电）或放电过程中的电池电压过低（低于终止放电电压，称过放电），所以开发出功能完善的保护器集成电路。锂离子电池的基本参数　　锂离子电池的额定电压为3.6V（少数的是 3.7V）。充满电时的终止充电电压与电池阳极材料有关：石墨的4.2V；焦炭的4.1V。充电时要求终止充电电压的精度在±1％之内。锂离子电池的终止放电电压为2.4～2.7V（电池厂家给出工作电压范围或终止放电电压的参数略有不同）。高于终止充电电压及低于终止放电时会对电池有损害。
　使用有一定要求：充电温度0～45℃；放电或保存温度 -20～+60℃。锂离子电池不适合大电流充放电。一般充电电流不大于1C，放电电流不大于2C（C是电池的容量，如C=950mAh，1C的充电率即充电电流为950mA）。
　充电、放电在20℃左右效果较好，在负温下不能充电，并且放电效果差，（在-20℃放电效果最差，不仅放电电压低，放电时间比20℃放电时的一半还少）。锂离子电池保护器IC　　锂离子电池保护器IC有适用于单节的及2～4节电池组的。这里介绍这类保护器的要求，并重点介绍单节锂离子电池保护器电路。
　对锂离子电池保护器的基本要求：　　1．充电时要充满，终止充电电压精度要保护±1％；　　2．在充、放电过程中不过流，并有短路保护；　　3．到达终止放电电压要禁止继续放电，终止放电电压精度在±3％左右；　　4．对深度放电的电池（低于终止放电电压）在充电前以涓流方式预充电；　　5．为了工作稳定可靠，防止瞬态电压变化的干扰，内部有过充电、过放电、过流保护的延时电路，防止瞬态干扰造成误动作；　　6．在多个串联的电池组充电时，要保护各节电池电压的匹配平衡，匹配精度要求±10％左右；　　7．自身耗电省（无论在充、放电时保护器都是通电工作的）。单节电池保护器耗电一般小于10μA，多节的一般在20μA左右；在到达终止放电时，它处于关闭状态，一般耗电2μA以下；　　8．保护器电路简单，外围元器件少，占空间小，可以做在电池或电池组中；　　9．价格低。单节锂离子电池保护器　　这里以AIC1811单节锂离子电池保护器为例来说明保护器的电路及工作原理。该器件主要特点：终止充电电压有4.35V、4.30V及4.25V（分别由型号后缀A、B、C表示），充电电压精度可达±30mV（±0.7％）；耗电省，在3.5V工作电压时工作电流典型值7μA，到达终止放电后耗电仅 0.2μA；有过充、过放、过流保护，并有延时以免瞬态干扰；过放电电压2.4V，精度±3.5％；小尺寸5管脚SOT-25封装；工作温度范围-20～ +80℃。

　　AIC1811组成的单节锂离子电池保护电路如图1所示，其内部结构简化图及外部元器件图如图2所示。V1为控制放电的 MOSFET，V2为控制充电的MOSFET，R1、C1用来消除充电器输入电压的纹波及干扰电压，R2为防止充电器电源接反时保护CS端的电阻，R3为 V2的偏置电阻，FU为保险丝，BATT+及BATT-为电池组的正极和负极（此保护器电路置于电池中）。
　在正常充、放电时，V1、 V2都导通。充电电流从BATT+流入，经保险丝向电池充电，经V1、V2后由BATT-流出。正常放电时，电流由BATT+经负载RL（图1中未画出）后，经BATT-及V2、V1流向电池负极，其电流方向与充电电流方向相反。由于V1、V2的导通电阻RDS（ON）极小，因此损耗较小。
　几种保护的工作状态如下（参看图2）：
　　1．过充电保护　　P1为控制过充电的带滞后的比较器，R6、R7组成分压器接在锂离子电池两端，其中间头检测电池的电压并接在R1的同相端，P1的反相端接1.2V基准电压。充电时电池电压低于过充电阈值电压时，P1的反相端电压大于同相端电压，P1输出低电平，使Q1导通，V2的偏置电阻R3有电流流过使V2也导通（V1在充电时是导通的），这样形成充电回路。当充电到达并超过充电阈值电压时，P1同相端电压超过1.2V，P1输出高电平，经100ms延时后使Q1 截止，R3无电压使V2截止，充电电路断开，防止过充电。
　2．过放电保护　　过放电保护电路是由R4、R5组成的分压器、带滞后的比较器P2、100ms延时电路、或门及由Q2、Q3组成的CMOS输出电路组成。当电池放电达到2.4V时，P2输出高电平，经延时后使OD输出低电平，V1截止，放电回路断开，禁止放电。
　3．过流保护　　以放电电流过流保护为例，CS端为放电电流检测端，它连续地检测放电电流。这是利用CS端的电压VCS与放电电流IL有一定关系，如图3所示。如果把导通的V1、V2看做一个电阻，即RV1DS（ON）及RV2DS（ON），则放电回路如图3的虚线所示。若忽略R2上极小的压降，则VCS对地的电压为：　　VCS=[RV1DS（ON）+RV2DS（ON）]×IL　　即VCS与放电电流IL成比例。
　过流保护电路由比较器P3、延时电路或门等组成。若放电电流超过设定阈值而使VCS超过0.2V，则P3输出高电平，其结果与过放电情况相同使V2截止，禁止放电。该器件尚有其他功能，这里不再介绍。

3～4节锂离子电池保护器　　这里以MAX1894/MAX1924 为例说明其功能及特点。MAX1894设计用于4节锂离子电池组，而MAX1924适用于3节或4节的电池组。两个保护器可监控串联电池中每一个电池的电压，避免过充电及过放电，从而有效地延长电池的寿命。另外，它也能防止充、放电时电流过大或短路。

　　两个器件组成的保护器电路如图4所示。它是一种用于4节锂离子电池组的保护器。它与图1不同之处是为了使串联的4个电池在充电时每一个电池的电压基本相等（均压），所以它增加了内部电路及外部电阻、电容等元件；另外，它由微控制器（μC）来控制，它可以输出电池的状态信号，使功能更完善。
　两个器件的主要特点：每个电池的过压阈值由工厂设定，其电压精度可达±0.5％；终止放电电压阈值由工厂设定，精度可达±2％；有关闭模式，关闭状态时耗电0.8μA，可防止电池深度放电；工作电流典型值30μA，小尺寸16管脚QSOP封装；工作温度范围-40～+85℃。锂离子电池监控器　　锂离子电池监控器除了有保护电路外（可保护电池在充电、放电过程免于过充电、过放电和过热），并且能输出电池剩余能量信号（用LCD显示器可形象地显示出电池剩余能量），使用者能随时了解电池的剩余能量状态，以便及时充电或更换电池。它主要用于有μC或μP的便携式电子产品中，如手机、摄像机、照相机、医疗仪器或音、视频装置等。
　这里以DS2760为例说明该器件的特点、内部结构及应用电路。该器件有温度传感器，能检测双向电流的电流检测器及电池电压检测器，并有12位ADC将模拟量转模成数字量；有多种存储器，能实现电池剩余能量的计算。它是将数据采集、信息计算与存储及安全保护于一身。另外，它具有外围元件少、电路简单、器件封装尺寸小（3.25mm×2.75mm管芯式BGA封装）的特点。
　DS2760的内部有25mΩ检测电阻，能检测双向（充电及放电）电流（但自身阻值极小，损耗极小）；电流分辨率为0.625mA，动态范围为 1.8A，并有电流累加计算；电压测量分辨率为48mV；温度测量分辨率可达0.125℃；由ADC转换的数字量存储在相应的存储器内，通过单线接口与主系统连接，可对锂离子电池组成的电源进行管理及控制，即实现与内部存储器进行读/写访问及控制。该器件功耗低，工作状态时最大电流80μA，节能状态（睡眠模式）时小于2μA。
　DS2760的功能结构框图如图5所示。它由温度传感器、25mΩ检测电阻、多路器、基准电压、ADC、多种存储器、电流累加器及时基、状态/控制电路、与主系统单线接口及地址、锂离子保护器等组成。
　DS2760有EEPOM、可锁EEPROM及SRAM三种形式的存储器，EEPROM保护电池的重要数据，可锁EEPROM用作ROM，SRAM供暂丰数据的存储。

　　应用电路并不复杂，电路如图6所示。两个P沟道功率MOSFET分别控制充电及放电，BAT+、BAT-之间接入锂离子电池，PACK+、PACK-为电池组的正负端，DATA端与系统接口。该电路适用于单节锂电池，若采用贴片式元器件占空间很小，可做在电池中。