基于臺式電腦加裝鋰電池的研究

楊冬冬+劉浩天+周英杰+陳耀祖+鄧輝

摘 要：隨著電腦在家庭的普及，人們對電腦性能的要求也越來越高。同樣的價格，臺式機的性能要遠遠高于筆記本電腦，相比于筆記本電腦而言，臺式機顯得笨重，攜帶不方便，沒有可移動的電源可以供電。創意改進的想法油然而生，逐漸完善臺式機的性能，如給臺式電腦加裝可循環充電的鋰電池。該文主要從臺式電腦電池起保護作用的電子元件和PCB板的系統保護電路來闡述臺式電腦電池的保護控制。

關鍵詞：臺式電腦電池；過充電保護；過電流保護；過溫保護

文章所設計的臺式電腦主機箱，主要是在里面安裝一塊可循環充電的鋰電池。臺式機使用的是交流電，這就需要在鋰電池的電源輸入端安裝一個電源適配器將交流電轉換為直流電給鋰電池充電，然后在鋰電池的電源輸出端用單片機裝置控制直流電轉化成交流電來給電腦進行供電。接上電源，這樣鋰電池就能一直得到持續充電，即使突然斷電后，鋰電池會自動給臺式電腦供電，臺式電腦繼續工作，人們再也不用擔心沒有保存的文件會丟掉了以及經濟上的損失等等。

1 系統組成

鋰電池充電過程中報警裝置會自動檢測電池是否充滿電，待鋰電池充滿電后，電源就會直接給臺式電腦供電。電源突然斷電后，主控MCU發出信號，鋰電池通過單片機模塊給臺式電腦繼續供電，電腦的顯示屏上會顯示鋰電池的電量使用情況。

2 臺式電腦鋰電池組的保護功能元件

在臺式電腦的電池中，除了用有保護功能的電路板實現相應的保護功能外，還增加了有獨立保護功能的電子元件，來實現保護功能。

2.1 過流保護功能

一般在電池組的負極輸出端串聯自恢復式熱敏電阻Polyswitch LR730，當電流流向負極時，在Polyswitch上產生的溫度為40℃，電流超過13A或是常溫下超過16A，這個PTC元件就會在幾秒鐘內由之前的低阻狀態變為高阻狀態，將電流限制到足夠小的范圍內，起到過流保護的作用。當過電流問題解除后，熱敏電阻可以自行恢復到初始低阻狀態。

2.2 過溫保護功能

由于鋰電池充放電時是發熱的，當負載短路或其它異常放電情況，而保護電路失效，在極短的時間內會產生很大的電流，使得電池內部溫度急劇升高，在極短的時間內引發一系列的劇烈反應，此時是非常危險的危險的，必須切斷電流，在電池組中間串聯一個溫度保護器件，溫度保險絲Thermal fuse顯得尤為重要。將它用導熱膠緊貼在電池表面，感受電池的溫度，當電池組發生異常溫度達到或超過98℃，溫度保險絲立即熔斷，并且不可以恢復，從而起到保護作用。

3 臺式電腦電池的保護電路

鋰離子電池的安全性問題不僅與電池的材料本身性質有關，如過充電，短路，熱沖擊和機械沖擊等對鋰離子電池的安全性能產生影響。鋰離子電池由于其化學性能劇烈，在加工電池組時，會用一個比較完備的保護電路對其充電，放電過程予以保護。

3.1 電路中的過充保護

文章設計的鋰電池組，在恒壓模式下，一般經過3個小時左右的充電，就會達到充飽狀態。如果這時不切斷充電電源繼續充電，電池的電壓會隨著不斷流入的充電電流而升高，雖然這時候的充電電流很小，但如果不切斷充電電路，就會出現過充現象，導致電池過熱內部由于氣體膨脹出現爆炸等危險。所以，需要有保護功能的電路板，采用專門的電池保護芯片，如MM1414、S-8254、BQ29311、BQ29312等，我們以MITSUMI的MM1414芯片為例，MM1414芯片可對多達4組電池的電壓進行采樣和監測，PIN15-PIN18為電池電壓采樣的PIN，當采樣到的單租電壓超過4.35±0.25V，即整個電池組的電壓超過12.7V時，MM1414PIN10V就會因過壓由高電位轉換為低電位，從而起到了過充保護功能。

3.2 電路中的過流保護

當鋰電池的負載出現短路或其他的故障，電池會出現一個很大的電流進行放電，是非常危險的狀態，必須立即斷開放電通路。過流檢測通過MM1414 PIN3CS接到放電MOS與充電MOS中間的一個取樣電阻上，來檢測放電MOS源極和漏極的壓降，當電流超過16A，PIN5 DCHG將輸出高電平，將放電MOS關閉，停止放電。過流控制的檢測死區的時間，可以通過PIN8 COL這個輸入接口，對地接一個電容來進行控制。

3.3 MOSFET管過溫保護

電池工作的時候，電流會流過電路中的兩組MOSFET管，一般電路會接有四個MOSFET，每對MOSFET并聯，分擔流過的電流。由于工作過程中，MOSFET會發熱甚至被擊穿，一般會在電路的輸出端串聯一個139℃溫度保險絲。用導熱膠將溫度保險絲固定在兩對MOSFET的表面，當MOSFET管表面的溫度超過139℃的時候，這時電路一般已經出現了嚴重的故障，電路的保護功能失控，必須立即切斷通路，串聯在電路與負載之間的溫度保險絲熔斷，并且不可恢復，保護了臺式電腦電池的安全。

4 結語

文章介紹了臺式電腦安裝鋰電池的新思路，鋰聚合物電池主要優點是體積小、重量輕、能量密度高、自放電率小、安全性能好，不易產生漏液和燃燒爆炸，抗過充性更好。隨著電子技術的發展，臺式電腦電池的保護功能也逐漸升級，為消費者提供的功能越來越強，安全性能越來越高的產品也是臺式電腦電池開發所追求的最終目標。

參考文獻

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