锂离子电池保护器及监控器

　　可充电的锂离子电池具有输出电压高、比能量高、放电电压稳定、工作温度范围宽、自放电率低、储存寿命长、无记忆效应等优点，应用越来越广泛，特别是手机的小型化及普及，使锂离子电池用量猛增。为了适应各种不同的便携式电子产品的需要，除单节锂离子电池外，还有2～4节锂离子电池组成的电池组。

　　锂离子电池较为“娇气”，若在充电过程中充电电压高于规定电压，充电电流超过规定电流；或在放电过程中有过大的放电电流；放电到终止放电电压还继续放电，就会损坏电池或使之报废。由于目前锂离子电池价格较贵，因此开发出各种保护元件、保护器及监控器，它们可有效地保护锂离子电池在充电或使用不当而损坏，监控电池能量的信号输出。

　　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。