锂离子电池以及保护电路

1、锂离子电池保护电路包括过度充电保护、过电流 / 短路保护和过放电 保护，要求过充电保护高精度、保护IC功耗低、高耐压以及零伏可充 电等特性 .本文详细介绍了这三种保护电路的原理、新功能和特性要 求.近年来，PDA数字相机、手机、便携式音频设备和蓝牙设备等越 来越多的产品采用锂电池作为主要电源 . 锂电池具有体积小、能量密 度高、无记忆效应、循环寿命高、高电压电池和自放电率低等优点 与镍镉、 镍氢电池不太一样 , 锂电池必须考虑充电、 放电时的安全性 以防止特性劣化 . 针对锂电池的过充、过度放电、过电流及短路保护 很重要 , 所以通常都会在电池包内设计保护线路用以保护锂电池 .由于锂离子电池能

2、量密度高 , 因此难以确保电池的安全性 .在过 度充电状态下 , 电池温度上升后能量将过剩 , 于是电解液分解而产生 气体, 因内压上升而发生自燃或破裂的危险 ;反之,在过度放电状态下 电解液因分解导致电池特性及耐久性劣化 , 从而降低可充电次数 .R110CIJTDOBATT+保护电路图该电路主要由锂电池保护专用集成电路DW0 1,充、放电控制MOSFET1 （内含两只N沟道M OSFET） 等部分组成，单体锂电 池接在E+和E之间，电池组从P+和P输出电压。 充电时，充 电器输出电压接在P+和P之间，电流从P+到单体电池的E+和 E ,再经过充电控制MOSFET到P。 在充电过程中，当单体

3、 电池的电压超过4.35V时，专用集成电路DW01的OC脚输出信号使充电控制M OSFET关断， 锂电池立即停止充电，从而防止 锂电池因过充电而损坏。放电过程中，当单体电池的电压降到2.30V时，DW0 1的OD脚输出信号使放电控制MOSFET关断， 锂电池立即停止放电，从而防止锂电池因过放电而损坏， DW01的 CS脚为电流检测脚，输出短路时，充放电控制MOSFET的导通 压降剧增，CS脚电压迅速升高，DW0 1输出信号使充放电控制MOSFET迅速关断，从而实现过电流或短路保护锂离子电池的保护电路就是要确保这样的过度充电及放电状态时的安全性 ,并防止特性劣化 .锂离子电池的保护电路是由保护

4、IC 及两颗功率MOSFE所构成，其中保护IC监视电池电压，当有过度充电及放电状态时切换到以外挂的功率 MOSFE来保护电池，保护IC的功能有过度充电保护、过度放电保护和过电流 / 短路保护 .过度充电保护过度充电保护IC的原理为：当外部充电器对锂电池充电时，为防 止因温度上升所导致的内压上升，需终止充电状态.此时,保护IC需 检测电池电压，当到达4.25V时（假设电池过充点为4.25V）即激活过 度充电保护，将功率M0油开转为关断，进而截止充电.另外, 还必须注意因噪声所产生的过度充电检出误动作 ,以免判定为 过充保护.因此,需要设定延迟时间 ,并且延迟时间不能短于噪声的持 续时间.过度放电

5、保护在过度放电的情况下 , 电解液因分解而导致电池特性劣化 , 并造成充电次数的降低.采用锂电池保护IC可以避免过度放电现象发生，实现电池保护功能 .过度放电保护 IC 原理： 为了防止锂电池的过度放电状态 , 假设锂电池 接上负载 , 当锂电池电压低于其过度放电电压检测点 （假定为 2.3V） 时将激活过度放电保护，使功率MOSFE由开转变为关断而截止放电， 以避免电池过度放电现象发生 , 并将电池保持在低静态电流的待机模 式, 此时的电流仅 0.1uA.当锂电池接上充电器 , 且此时锂电池电压高于过度放电电压时 , 过度放电保护功能方可解除 .另外,考虑到脉冲放电的情况 ,过放电检测电路设

6、有延迟时间以避免发生误动作 .过电流及短路电流因为不明原因 (放电时或正负极遭金属物误触 )造成过电流或短路 , 为确保安全 , 必须使其立即停止放电 .过电流保护IC原理为，当放电电流过大或短路情况发生时，保护IC将激活过(短路)电流保护，此时过电流的检测是将功率 MOSFE的Rds(on) 当成感应阻抗用以监测其电压的下降情形 , 如果比所定的过电流检测电压还高则停止放电，计算公式为：V-=I x Rds(on) x 2(V-为过电流检测电压，1为放电电流)假设V-=0.2V,Rds(on)=25m Q ,则保护电流的大小为 I=4A.同样地 ， 过电流检测也必须设有延迟时间以防有突发电流

7、流入时发生误动作.通常在过电流发生后 , 若能去除过电流因素 （ 例如马上与负载脱离 ）,将会恢复其正常状态 , 可以再进行正常的充放电动作 .锂电池保护 IC 的新功能除了上述的锂电池保护IC功能之外，下面这些新的功能同样值得关注:1. 充电时的过电流保护当连接充电器进行充电时突然发生过电流 （ 如充电器损坏 ）, 电路立即进行过电流检测，此时Cout将由高转为低，功率MOSFE由开转为关断,实现保护功能 .V-（Vdet4过电流检测电压，Vdet4为-0.1V）=l（充电电流）x Rds（on）x 22. 过度充电时的锁定模式通常保护 lC 在过度充电保护时将经过一段延迟时间 , 然后就会

8、将功 率MOSFE关断以达到保护的目的，当锂电池电压一直下降到解除点 （过度充电滞后电压 ）时就会恢复 , 此时又会继续充电 -保护-放电-充 电-放电.这种状态的安全性问题将无法获得有效解决 ,锂电池将一直 重复着充电-放电-充电-放电的动作，功率MOSFE的栅极将反复地处 于高低电压交替状态，这样可能会使MOSFE变热,还会降低电池寿命 因此锁定模式很重要 . 假如锂电保护电路在检测到过度充电保护时有 锁定模式，MOSFET各不会变热，且安全性相对提高很多.在过度充电保护之后 , 只要充电器连接在电池包上 , 此时将进入过充锁定模式 . 此时, 即使锂电池电压下降也不会发生再充电的情形 ,

9、 将充电器移除并连接负载即可恢复充放电的状态 .3. 减小保护电路组件尺寸将过度充电和短路保护用的延迟电容集成到到保护IC里面,以减小保护电路组件尺寸 .对保护 IC 性能的要求1. 过度充电保护的高精度化当锂离子电池有过度充电状态时 , 为防止因温度上升所导致的内压上 升, 须截止充电状态 . 保护 IC 将检测电池电压 , 当检测到过度充电时 , 则过度充电检测的功率 MOSFE使之关断而截止充电.此时应注意的 是过度充电的检测电压的高精度化 , 在电池充电时 , 使电池充电到饱 满的状态是使用者很关心的问题 , 同时兼顾到安全性问题 , 因此需要 在达到容许电压时截止充电状态 . 要同时

10、符合这两个条件 , 必须有高 精度的检测器，目前检测器的精度为25mV该精度将有待于进一步提高.2. 降低保护 IC 的耗电随着使用时间的增加 ,已充过电的锂离子电池电压会逐渐降低 ,最后 低到规格标准值以下 , 此时就需要再度充电 . 若未充电而继续使用 , 可 能造成由于过度放电而使电池不能继续使用 . 为防止过度放电 , 保护 IC 必须检测电池电压 , 一旦达到过度放电检测电压以下 , 就得使放电 一方的功率MOSFE咲断而截止放电.但此时电池本身仍有自然放电 及保护IC的消耗电流存在，因此需要使保护IC消耗的电流降到最低 程度.3. 过电流/短路保护需有低检测电压及高精度的要求因不明

11、原因导致短路时必须立即停止放电 . 过电流的检测是以功率MOSFE的Rds(on)为感应阻抗，以监视其电压的下降，此时的电压若比过电流检测电压还高时即停止放电.为了使功率MOSFE的Rds(on)在充电电流与放电电流时有效应用 , 需使该阻抗值尽量低 , 目前该阻抗约为20mQ 30n ,这样过电流检测电压就可较低.4. 耐高电压电池包与充电器连接时瞬间会有高压产生 , 因此保护 IC 应满足耐高压的要求 .5. 低电池功耗在保护状态时 , 其静态耗电流必须要小 0.1uA.6. 零伏可充电有些电池在存放的过程中可能因为放太久或不正常的原因导致电压低到0V,故保护IC需要在0V时也可以实现充电

12、.保护 IC 发展展望如前所述 , 未来保护 IC 将进一步提高检测电压的精度、降低保护 IC 的耗电流和提高误动作防止功能等 , 同时充电器连接端子的高耐压也 是研发的重点 .在封装方面，目前已由SOT23-6逐渐转向SON封装，将来还有CSP封装，甚至出现CO产品用以满足现在所强调的轻薄短小要求.在功能方面，保护IC不需要集成所有的功能，可根据不同的锂电池材 料开发出单一保护 IC, 如只有过充保护或过放保护功能 , 这样可以大 大减少成本及尺寸 .当然,功能组件单晶体化是不变的目标 , 如目前手机制造商都朝向将 保护IC、充电电路以及电源管理IC等外围电路与逻辑IC构成双芯片的芯片组，但

13、目前要使功率MOSFE的开路阻抗降低，难以与其它IC集成 , 即使以特殊技术制成单芯片 , 恐怕成本将会过高 . 因此, 保护 IC的单晶体化将需一段时间来解决 .看了不少资料和文章，自己也在研究，但是在锂电池保护电路方面， 很难找到不错的探讨专题。鄙人认为，只有多多讨论，才能一起进步， 相信这也是不少同志持有 的观点。那么，鄙人不才，权且当个探路人，先抛两块石头，希望能 引出更多大家的言论。保护电路是专为锂电池这类可再充电的电池设计的 , 主要提供过充电、过放电和过电流的保护功能 , 此外还提供从保护状态下恢复的功能，有些还可以提供电池0V充电的功能。（不知道是否有电路还提供一些其他的功能？

14、或者说需要一些特殊的功能， 但就目前常用的保护电路来说，无法实现？）锂电池保护电路中，主要组成部分是保护IC和MOSFET而安全保护 IC主要控制回路中充电和放电 MOSFE的通断。这里我只是将一些参 数做简单的罗列， 并不打算详细说明， 也不去罗嗦。如有漏掉的内容， 还请各位补充！（过充保护电压及释放电压 : 过放保护电压及释放电 压: 过充电电流 : 过放电电流 :短路保护电流 : 过充保护延迟时间 : 过放 保护延迟时间 : 过充电电流延迟时间 :过放电电流延迟时间 : 短路保护电流延迟时间 : )保护电路的原理如下， 也是简单说明， 有说得不到之处， 还请各位指出：1在充电过程中 ,当

15、电芯电压超过安全保护 IC 的过充电检测电压(4.25 4.3V),并且这种状态持续且超过安全保护 IC的过充电检 测延迟时间(1000ms),安全保护IC将断开充电MOSFE以停止充电。2. 在过充电保护状态下，当电芯的电压恢复到安全保护IC的过 充电恢复检测电压(4.15 4.2V)以下，并延时一段以后，安全保护 IC将闭合充电MOSFE使回路恢复到正常状态；或者，电池外加一个 负载放电，安全保护IC也将闭合充电MOSFE使回路恢复到正常状态。3. 在放电过程中 , 当电芯电压低于安全保护 IC 的过放电检测电 压(2.3V),并且这种状态持续且超过安全保护 IC的过放电检测延迟 时间(1

16、25mS,安全保护IC将断开放电MOSFE以停止电池放电功能。4. 在过放电保护状态下，当电芯的电压恢复到安全保护IC的过 放电恢复检测电压 (2.4V) 以上, 并且电池正负两端有一充电电压触发 ,安全保护IC将闭合放电MOSFE使回路恢复到正常状态。5. 过流保护。当工作电流超出设定值时 , 由保护 IC 切断 MOSFET 管.等工作电流回归到允许的电压是，重新恢复MOSFE管的导通.6. 短路保护。其实这个功能是过流保护的扩展 ，当保护IC检测电池输出正负极之间电压小于规定值时 ,认为此时电池处于短路状态 立即切断回路 . 等短路的故障排除再恢复回路 . 短路时电池的输出正负极的电压为

17、零 , 而实际电芯的电压还是正常的 .7. 有些保护电路具备0V充电功能,当电池电芯的电压通过自放电或其他方式降为0V时,电池能够通过充电器充电。就鄙人目前对保护电路了解的情况看，主要分成两种形式：一： 保护IC与MOSFE分离式。这种结构是目前市面上最常用的方式。 根据应用档次的不同， 保护IC和MOSFE的品牌也有所不同。档次要求高点的：IC用R5421, S-8261, MM3O90 MOSFE用TPC8209，MCH6405档次要求低点的：IC用SC451 AM7021 DW01 MOSFE用AO8810，FSD9926更低点的：用CS213单MO产品二:保护IC与MOSFE集成式这种

18、结构在近两年已经上市，而且了解到也有一些公司在使 用，只是相对比例不大，但很有潜力目前只有科园一家在做这样的产品，他们也是根据应用档次的不同，从高到低依次分成 CR6001 CR6002 CR6003 CR6005鄙人看来，这几款主要区别还在 MOS勺内阻上，应用档次越高，内阻越小。这两种结构各有优劣。从性能上讲：分离式的耐压和过流方面更具有可选性，而且 在温度高低对整个电路的 影响上来讲，分离式的似乎更占有优势， 某些参数上温漂影响较小 （这 也是鄙人从朋友那里得到的信息， 是否如此？还希望有经验的朋友 发表个人的看法）内臵 MO，S 温度有限，并且只能在小功率的应用中。大功率的应用是否会是

19、一个瓶颈？从价格上讲： 内臵式的，无论在备货、生产、检测中都具 有强烈的优势。据了解，科园系列产品在综合成本上比分离式的有着很大的优势就算内臵式的不适用于大功率的应用，但就目前手机、 MP3、 相机等电池中， 内臵式所占的比重仍然较小， 一定有其先天的问题。 。 还请熟悉情况的各位指点一二，让其他人都能对这部分有更多的了 解。手机锂离子电池保护电路原理分析手机锂离子电池保护电路原理分析由于锂离子电池的特性与其它可充电电池不同， 内部通常都带有一块电路板， 不少人对该电路的作用不了解 （有些人可能还不知道锂电里有保护电路） ，下面将对锂离子电池的特点及其保护电路工作原理进行阐述。锂电池分为一次电

20、池和二次电池两类，目前在手机里的备用电池因耗电小主要使用不可充电的一次锂电池， 而在手机主电池因耗电量较大则使用可充电的二次电池，即锂离子电池。与镍镉和镍氢电池相比，锂离子电池具备以下几个优点：1 、电压高，单节锂离子电池的电压可达到 3.6V ，远高于镍镉和镍氢电池的 1.2V 电压。2 、容量密度大，其容量密度是镍氢电池或镍镉电池的1.5-2.5倍。3 、荷电保持能力强（即自放电小），在放臵很长时间后其容量损失也很小。4 、寿命长，正常使用其循环寿命可达到 500 次以上5、没有记忆效应，在充电前不必将剩余电量放空，使用方便。由于锂离子电池的化学特性，在正常使用过程中，其内部进行电能与化学

21、能相互转化的化学正反应，但在某些条件下，如对其过充电、过放电和过电流将会导致电池内部发生化学副反应 ，该副反应加剧后，会严重影响电池的性能与使用寿命，并可能产生大量气体，使电池内部压力迅速增大后爆炸而导致安全问题， 因此所有的锂离子电池 都需要一个保护电路，用于对电池的充、放电状态进行有效监测，并 在某些条件下关断充、放电回路以防止对电池发生损害。下图为一个典型的锂离子电池保护电路原理图俚壬于电趟Q护甩盼国如上图所示，该保护回路由两个 M0SFETV1、V2）和一个控制IC（N1）外加一些阻容元件构成。控制IC负责监测电池电压与回路电流，并控制两个MOSFE的栅极，MOSFE在电路中起开关作用

22、，分别控制着充电回路与放电回路的导通与关断， C3 为延时电容，该电路具有过充电保护、 过放电保护、 过电流保护与短路保护功能， 其工作原理分析如下：1 、正常状态在正常状态下电路中N1的“ CO与“ DO脚都输出高电压，两 个MOSFE都处于导通状态，电池可以自由地进行充电和放电，由于 MOSFE的导通阻抗很小，通常小于 30毫欧，因此其导通电阻对电路 的性能影响很小。此状态下保护电路的消耗电流为卩 A级，通常小于7卩A。2 、过充电保护锂离子电池要求的充电方式为恒流 / 恒压，在充电初期，为恒流 充电，随着充电过程，电压会上升到 4.2V（ 根据正极材料不同，有的 电池要求恒压值为 4.1

23、V） ，转为恒压充电，直至电流越来越小。电池在被充电过程中，如果充电器电路失去控制，会使电池电压 超过 4.2V 后继续恒流充电，此时电池电压仍会继续上升，当电池电 压被充电至超过 4.3V 时，电池的化学副反应将加剧，会导致电池损坏或出现安全问题在带有保护电路的电池中， 当控制 IC 检测到电池电压达到 4.28V（该值由控制IC决定，不同的IC有不同的值）时，其“ CO脚将由 高电压转变为零电压，使V2由导通转为关断，从而切断了充电回路， 使充电器无法再对电池进行充电， 起到过充电保护作用。 而此时由于 V2自带的体二极管VD2的存在，电池可以通过该二极管对外部负载 进行放电。在控制IC检

24、测到电池电压超过4.28V至发出关断V2信号 之间，还有一段延时时间，该延时时间的长短由C3决定，通常设为1 秒左右，以避免因干扰而造成误判断。3、过放电保护电池在对外部负载放电过程中，其电压会随着放电过程逐渐降低，当电池电压降至 2.5V 时，其容量已被完全放光，此时如果让电池继续对负载放电，将造成电池的永久性损坏。在电池放电过程中，当控制IC检测到电池电压低于2.3V （该值 由控制IC决定，不同的IC有不同的值）时，其“ DO脚将由高电压 转变为零电压，使V1由导通转为关断，从而切断了放电回路，使电 池无法再对负载进行放电，起到过放电保护作用。而此时由于 V1 自 带的体二极管VD1的存

25、在，充电器可以通过该二极管对电池进行充电。由于在过放电保护状态下电池电压不能再降低，因此要求保护电路的消耗电流极小，此时控制 IC 会进入低功耗状态，整个保护电路耗电会小于0.1 11 A。在控制IC检测到电池电压低于2.3V至发出关断V1信号之间， 也有一段延时时间，该延时时间的长短由C3决定，通常设为100毫秒左右，以避免因干扰而造成误判断。4、过电流保护由于锂离子电池的化学特性，电池生产厂家规定了其放电电流最大不能超过2C（C二电池容量/小时），当电池超过2C电流放电时，将会导致电池的永久性损坏或出现安全问题。电池在对负载正常放电过程中，放电电流在经过串联的 2个 MOSFE时，由于MO

26、SFE的导通阻抗，会在其两端产生一个电压，该 电压值U=I*RDS*2, RDS为单个MOSFE导通阻抗，控制IC上的“ V-” 脚对该电压值进行检测， 若负载因某种原因导致异常， 使回路电流增 大，当回路电流大到使 U0.1V （该值由控制IC决定，不同的IC有 不同的值）时，其“ DO脚将由高电压转变为零电压，使 V1由导通 转为关断， 从而切断了放电回路， 使回路中电流为零， 起到过电流保护作用在控制 IC 检测到过电流发生至发出关断 V1 信号之间， 也有一段 延时时间，该延时时间的长短由C3决定，通常为13毫秒左右，以避 免因干扰而造成误判断。在上述控制过程中可知， 其过电流检测值大

27、小不仅取决于控制 IC 的控制值，还取决于MOSFE的导通阻抗，当MOSFE导通阻抗越大时， 对同样的控制IC,其过电流保护值越小。5 、短路保护电池在对负载放电过程中，若回路电流大到使U0.9V（该值由控 制IC决定，不同的IC有不同的值）时，控制IC则判断为负载短路， 其“ DO脚将迅速由高电压转变为零电压，使 V1由导通转为关断， 从而切断放电回路，起到短路保护作用。短路保护的延时时间极短， 通常小于 7 微秒。其工作原理与过电流保护类似， 只是判断方法不同， 保护延时时间也不一样。以上详细阐述了单节锂离子电池保护电路的工作原理，上面电路 中所用的控制IC为日本理光公司的R5421系列，

28、在实际的电池保护 电路中，还有许多其它类型的控制 IC,如日本精工的S-8241系列、日本MITSUM的MM306系列、台湾富晶的 FS312和FS313系列、台湾类比科技的AAT8632系列等等，其工作原理大同小异，只是在具体 参数上有所差别，有些控制 IC 为了节省外围电路，将滤波电容和延 时电容做到了芯片内部， 其外围电路可以很少， 如日本精工的 S-8241 系列。除了控制IC夕卜，电路中还有一个重要元件，就是 MOSFET它在电 路中起着开关的作用， 由于它直接串接在电池与外部负载之间， 因此 它的导通阻抗对电池的性能有影响，当选用的MOSFE较好时，其导通阻抗很小， 电池包的内阻就

29、小， 带载能力也强， 在放电时其消耗的电能也少。随着科技的发展，手机的体积越做越小，而随着这种趋势，对锂离子电池的保护电路体积的要求也越来越小， 在这两年已出现了将控制IC和MOSFE整合成一颗保护IC的产品，如DIALOG公司的DA7112系列，有的厂家甚至将整个保护电路封装成一颗小尺寸的IC,如MITSUM公司的产品。手机的锂离子电池在损坏后， 有些是保护电路出故障 （尤其是进水 机的电池 ） ，因此有些锂电可以拆开来修复，既环保又不浪费离子电池保护电路设计电子设计信息网摘要: 本文介绍了锂离子电池保护电路 : 过度充电保护、过电流 / 短路保护和过放电保护等原理及主要设计思路 , 并通过

30、计算确定 其相关参数。关键词:集成保护电路 ;充电保护;放电保护 ;过电流及短路电流保 护近年来 ,锂电池由于具有体积小、质量轻、能量密度高、无记忆效 应、循环寿命高、电池电压高和自放电率低等优点 , 因而在 PDA、 数码相机、手机、便携式音讯设备和蓝牙设备等越来越多的产品 上采用锂电池作为主要电源。但锂电池与镍镉、镍氢电池不太一 样, 锂电池必须考虑充电、放电时的安全性 , 以防止特性劣化。但 锂离子电池能量密度高 , 难以确保电池的安全性 ,在过度充电状态 下,电池温度上升后能量将过剩 , 于是电解液分解而产生气体 ,容 易使内压上升而产生自燃或破裂的危险 ; 反之 , 在过度放电状态下

31、 电解液因分解导致电池特性及耐久性劣化 , 降低可充电次数。因此 锂电池的过充、过度放电、过电流及短路保护很重要 , 所以通常都 会在电池包内设计保护线路 , 用以保护锂电池。1 电路设计1.1电路概述锂离子电池保护电路包括过度充电保护、过电流 /短路保护和过放电保护等，该电路就是要确保这样的过度充电及放电状态时的安全,并防止特性劣化。它主要由集成保护电路 IC、贴片电阻、贴片电容、场效应管（MOSFET）、有的还有热敏电阻（NTC）、识别电阻（ID）、保险丝（FUSE）等构成。其电路图如图1所示图1锂离子电池保护电路图其中集成保护电路IC用来检测保护电路当前的电压、电流、时间等参数以此来控制

32、场效应管的开关状态；场效应管（MOSFET）则根 据保护IC来控制回路中是否有需开或关；贴片电阻用作限流； 贴片电容作用为滤波、调节延迟时间；热敏电阻用来检测电池块内 的环境温度；保险丝防止流过电池的电流过大，切断电流回路。1.2电路原理及参数确定1.2.1 过度充电保护当充电器对锂电池过度充电时，锂电池会因温度上升而导致内压 上升,需终止当前充电的状态。此时,集成保护电路IC需检测电池 电压，当到达4.25V时（假设电池过充电压临界点为 4.25 V）即激 活过度充电保护，将功率MOS由开转为切断，进而截止充电。另外， 为防止由于噪音所产生的过度充电而误判为过充保护 ,因此需要 设定延迟时间 , 并且延迟时间不能短于噪音的持续时间以免误判。 过充电保护延时时间tvdetl计算公式为：t vdeti = C 3 x ( Vdd - 0. 7)/ (0. 48