鋰離子電池保護(hù)電路設(shè)計(jì)

郭家誠

【摘 要】隨著科技的快速發(fā)展，人們使用的便攜式電子產(chǎn)品越來越多。鋰離子電池作為大多數(shù)移動(dòng)設(shè)備的電源得到了廣泛的應(yīng)用，同時(shí)它的保護(hù)問題也變得尤為重要，因?yàn)槿绻娐钒l(fā)生故障，輕則電池永久性損壞，重則設(shè)備一同損壞甚至發(fā)生安全問題。為使鋰離子電池在充放電的過程中能夠安全高效的工作，鋰離子電池保護(hù)電路的設(shè)計(jì)是很關(guān)鍵的。

【關(guān)鍵詞】鋰離子電池；安全高效；保護(hù)電路

中圖分類號(hào)： TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2017）20-0098-001

Design of Protection Circuit for Lithium Ion Battery

GOU Jia-cheng

（School of Electrical and Information Engineering， Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001，China）

【Abstract】With the rapid development of science and technology， more and more portable electronic products are used. Lithium ion battery as the power supply of most mobile devices has been widely used， and its protection has become particularly important， because if the circuit fails， the battery may be permanently damaged， the equipment may be damaged or even the occurrence of safety problems. In order to make lithium ion battery work safely and efficiently in the process of charging and discharging， the design of protection circuit for lithium ion battery is very important.

【Key words】Lithium ion battery； Safe and efficient； Protection circuit

1 控制集成芯片R5421

控制集成芯片R5421是一種擁有過充電、過放電、過電流、短路等保護(hù)功能的控制集成芯片，它可以有效的保證電路的安全。

2 鋰離子電池保護(hù)電路

3 工作原理

3.1 正常狀態(tài)

在正常狀態(tài)下，電路中的兩個(gè)引腳CO和DO輸出高電壓時(shí)，場效應(yīng)管處于導(dǎo)通狀態(tài)，鋰離子電池的充電和放電可以自由的進(jìn)行。由于場效應(yīng)晶體管導(dǎo)通電阻很小，所以對(duì)電路的性能影響很小，這時(shí)保護(hù)電路中的電流為微安級(jí)。

3.2 過充狀態(tài)

鋰離子電池以恒流方式和恒壓方式進(jìn)行充電，剛開始的時(shí)候，鋰離子電池首先進(jìn)行恒流充電，電池的內(nèi)電壓逐漸升高，當(dāng)達(dá)到4.2V，即鋰離子電池進(jìn)行恒壓充電時(shí)所設(shè)置的數(shù)值的時(shí)候，電池自動(dòng)轉(zhuǎn)為恒壓充電。但是在充電的過程之中，如果充電控制電路發(fā)生了故障，會(huì)對(duì)電池以恒流充電的方式連續(xù)的進(jìn)行充電，電池的內(nèi)電壓會(huì)不斷的升高，當(dāng)高于4.3V時(shí)，鋰離子電池的內(nèi)部會(huì)發(fā)生化學(xué)副反應(yīng)，可能造成電池?fù)p壞甚至發(fā)生危險(xiǎn)。

在鋰離子電池充放電電路之中，如果設(shè)計(jì)有對(duì)電池的保護(hù)電路，當(dāng)芯片上的引腳監(jiān)測(cè)到電池上的電壓值達(dá)到4.28V時(shí)，不同芯片的數(shù)值不一樣，CO引腳上的電壓從高變成零，T2由導(dǎo)通變?yōu)榻刂梗潆娀芈窋嚅_，充電電路停止對(duì)鋰電池充電，同時(shí)鋰電池通過T2兩端的二極管D2對(duì)外部負(fù)載放電。在電池電壓達(dá)到設(shè)定值與控制集成電路控制斷開T2之間應(yīng)該有一個(gè)延時(shí)，通過外接的延時(shí)電容設(shè)定，通常為1s，以防止瞬時(shí)電壓造成的錯(cuò)誤判斷。

3.3 過放狀態(tài)

鋰離子電池進(jìn)行放電時(shí)，電池電壓逐漸降低，當(dāng)降到2.5V時(shí)，電池電量基本耗盡，如果放電控制電路發(fā)生故障，鋰離子電池會(huì)繼續(xù)放電，電池電壓會(huì)持續(xù)降低，當(dāng)電池電壓降至2.3V時(shí)，鋰離子電池會(huì)發(fā)生永久性損壞。

在有保護(hù)電路的鋰離子電池中，當(dāng)電池電壓降到控制集成電路設(shè)定的值時(shí)，不同的集成控制電路電壓值不同，本控制集成電路為2.3V，DO端由高電位變?yōu)榱汶娢唬琓1由導(dǎo)通變?yōu)榻刂梗烹娀芈窋嚅_，鋰離子電池停止放電，同時(shí)保護(hù)電路通過T1兩端的二極管D1對(duì)鋰離子電池充電。在電池電壓降到設(shè)定值與控制集成電路控制斷開T1之間應(yīng)該有一個(gè)延時(shí)，通過外接的延時(shí)電容設(shè)定，通常為100ms，以防止瞬時(shí)電壓造成的錯(cuò)誤判斷。

3.4 過流狀態(tài)

由于鋰離子電池的化學(xué)特性，其放電率不超過2C。如果鋰離子電池的放電率高于2C，會(huì)對(duì)電池造成永久性的損害。

在正常放電的鋰離子電池電路之中，兩個(gè)場效應(yīng)管會(huì)有電流通過。由于場效應(yīng)管導(dǎo)通時(shí)的阻抗，所以兩個(gè)場效應(yīng)晶體管之間會(huì)產(chǎn)生電壓降。電壓降的值為：V=I×RDS×2（I為放電電流；RDS為單個(gè)場效應(yīng)管導(dǎo)通阻抗）。

在鋰離子電池充放電電路之中，如果設(shè)計(jì)有對(duì)電池的保護(hù)電路，當(dāng)芯片上的VC引腳監(jiān)測(cè)到電池上的電壓值高于0.1V時(shí)，不同芯片的數(shù)值不一樣。DO端由高電位變?yōu)榱汶娢唬琓1由導(dǎo)通變?yōu)榻刂梗烹娀芈窋嚅_，鋰離子電池停止放電，電路中電流為零，起保護(hù)作用。在電池電壓降到設(shè)定值與控制集成電路控制斷開T1之間應(yīng)該有一個(gè)延時(shí)，通過外接的延時(shí)電容設(shè)定，通常為13ms，以防止瞬時(shí)電壓造成的錯(cuò)誤判斷。在相同的集成電路控制下，兩個(gè)FET阻抗大，過流保護(hù)值較小。

3.5 短路狀態(tài)

在鋰離子電池充放電電路之中，如果設(shè)計(jì)有對(duì)電池的保護(hù)電路，當(dāng)芯片上的VC引腳監(jiān)測(cè)到電池上的電壓值高于0.9V時(shí)，不同芯片的數(shù)值不一樣。DO端由高電位變?yōu)榱汶娢唬琓1由導(dǎo)通變?yōu)榻刂梗烹娀芈窋嚅_，鋰離子電池停止放電，電路中電流為零，起保護(hù)作用。在電池電壓降到設(shè)定值與控制集成電路控制斷開T1之間應(yīng)該有一個(gè)延時(shí)，通過外接的延時(shí)電容設(shè)定，通常小于7μs，以防止瞬時(shí)電壓造成的錯(cuò)誤判斷。這個(gè)過程要注意和3.4進(jìn)行比較和區(qū)別。

4 總結(jié)

本次設(shè)計(jì)是運(yùn)用R5421芯片對(duì)電路的充放電過程進(jìn)行保護(hù)，主要包括過充電保護(hù)、過放電保護(hù)、過電流保護(hù)、短路保護(hù)。是移動(dòng)設(shè)備電源安全性的重要保障。在體現(xiàn)了安全原則的同時(shí)，盡量簡化電路，減少外部元件的使用，滿足了人們對(duì)于移動(dòng)設(shè)備便于攜帶、小巧美觀的需求。但是本次的設(shè)計(jì)并沒有生產(chǎn)出實(shí)物，進(jìn)行測(cè)試，所以還只是停留在理論階段，要想真正地做出產(chǎn)品，還需要克服實(shí)踐中可能遇到的困難。

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