1、鋰離子電池保護電路包括過度充電保護、過電流/短路保護和過放電保護,要求過充電保護高精度、保護IC功耗低、高耐壓以及零伏可充電等特性.本文詳細介紹了這三種保護電路的原理、新功能和特性要求. 近年來,PDA、數字相機、手機、便攜式音頻設備和藍牙設備等越來越多的產品采用鋰電池作為主要電源.鋰電池具有體積小、能量密度高、無記憶效應、循環壽命高、高電壓電池和自放電率低等優點,與鎳鎘、鎳氫電池不太一樣,鋰電池必須考慮充電、放電時的安全性,以防止特性劣化.針對鋰電池的過充、過度放電、過電流及短路保護很重要,所以通常都會在電池包內設計保護線路用以保護鋰電池. 由于鋰離子電池能量密度高,因此難以確保電池的安全性

2、.在過度充電狀態下,電池溫度上升后能量將過剩,于是電解液分解而產生氣體,因內壓上升而發生自燃或破裂的危險;反之,在過度放電狀態下,電解液因分解導致電池特性及耐久性劣化,從而降低可充電次數. 保護電路圖該電路主要由鋰電池保護專用集成電路，充、放電控制（內含兩只溝道）等部分組成，單體鋰電池接在和之間，電池組從和輸出電壓。充電時，充電器輸出電壓接在和之間，電流從到單體電池的和，再經過充電控制到。在充電過程中，當單體電池的電壓超過時，專用集成電路的腳輸出信號使充電控制關斷，鋰電池立即停止充電，從而防止鋰電池因過充電而損壞。放電過程中，當單體電池的電壓降到時，的腳輸出信號使放電控制關斷，鋰電池立即停止放

3、電，從而防止鋰電池因過放電而損壞，的腳為電流檢測腳，輸出短路時，充放電控制的導通壓降劇增，腳電壓迅速升高，輸出信號使充放電控制迅速關斷，從而實現過電流或短路保護。 鋰離子電池的保護電路就是要確保這樣的過度充電及放電狀態時的安全性,并防止特性劣化.鋰離子電池的保護電路是由保護IC及兩顆功率MOSFET所構成,其中保護IC監視電池電壓,當有過度充電及放電狀態時切換到以外掛的功率MOSFET來保護電池,保護IC的功能有過度充電保護、過度放電保護和過電流/短路保護. 過度充電保護 過度充電保護IC的原理為:當外部充電器對鋰電池充電時,為防止因溫度上升所導致的內壓上升,需終止充電狀態.此時,保護IC需檢

4、測電池電壓,當到達4.25V時(假設電池過充點為4.25V)即激活過度充電保護,將功率MOS由開轉為關斷,進而截止充電. 另外, 還必須注意因噪聲所產生的過度充電檢出誤動作,以免判定為過充保護.因此,需要設定延遲時間,并且延遲時間不能短于噪聲的持續時間. 過度放電保護 在過度放電的情況下,電解液因分解而導致電池特性劣化,并造成充電次數的降低.采用鋰電池保護IC可以避免過度放電現象發生,實現電池保護功能. 過度放電保護IC原理:為了防止鋰電池的過度放電狀態,假設鋰電池接上負載,當鋰電池電壓低于其過度放電電壓檢測點(假定為2.3V)時將激活過度放電保護,使功率MOSFET由開轉變為關斷而截止放電,

5、以避免電池過度放電現象發生,并將電池保持在低靜態電流的待機模式,此時的電流僅0.1uA. 當鋰電池接上充電器,且此時鋰電池電壓高于過度放電電壓時,過度放電保護功能方可解除.另外,考慮到脈沖放電的情況,過放電檢測電路設有延遲時間以避免發生誤動作. 過電流及短路電流 因為不明原因(放電時或正負極遭金屬物誤觸)造成過電流或短路,為確保安全,必須使其立即停止放電. 過電流保護IC原理為,當放電電流過大或短路情況發生時,保護IC將激活過(短路)電流保護,此時過電流的檢測是將功率MOSFET的Rds(on)當成感應阻抗用以監測其電壓的下降情形,如果比所定的過電流檢測電壓還高則停止放電,計算公式為: V-=

6、I×Rds(on)×2(V-為過電流檢測電壓,I為放電電流).假設V-=0.2V,Rds(on)=25m,則保護電流的大小為I=4A. 同樣地,過電流檢測也必須設有延遲時間以防有突發電流流入時發生誤動作. 通常在過電流發生后,若能去除過電流因素(例如馬上與負載脫離),將會恢復其正常狀態,可以再進行正常的充放電動作. 鋰電池保護IC的新功能 除了上述的鋰電池保護IC功能之外,下面這些新的功能同樣值得關注: 1. 充電時的過電流保護 當連接充電器進行充電時突然發生過電流(如充電器損壞),電路立即進行過電流檢測,此時Cout將由高轉為低,功率MOSFET由開轉為關斷,實現保護功能

7、. V-(Vdet4過電流檢測電壓,Vdet4為-0.1V)=I(充電電流)×Rds(on)×2 2. 過度充電時的鎖定模式 通常保護IC在過度充電保護時將經過一段延遲時間,然后就會將功率MOSFET關斷以達到保護的目的,當鋰電池電壓一直下降到解除點(過度充電滯后電壓)時就會恢復,此時又會繼續充電-保護-放電-充電-放電.這種狀態的安全性問題將無法獲得有效解決,鋰電池將一直重復著充電-放電-充電-放電的動作,功率MOSFET的柵極將反復地處于高低電壓交替狀態,這樣可能會使MOSFET變熱,還會降低電池壽命,因此鎖定模式很重要.假如鋰電保護電路在檢測到過度充電保護時有鎖定模式

8、,MOSFET將不會變熱,且安全性相對提高很多. 在過度充電保護之后,只要充電器連接在電池包上,此時將進入過充鎖定模式.此時,即使鋰電池電壓下降也不會發生再充電的情形,將充電器移除并連接負載即可恢復充放電的狀態. 3. 減小保護電路組件尺寸 將過度充電和短路保護用的延遲電容集成到到保護IC里面,以減小保護電路組件尺寸. 對保護IC性能的要求 1. 過度充電保護的高精度化 當鋰離子電池有過度充電狀態時,為防止因溫度上升所導致的內壓上升,須截止充電狀態.保護IC將檢測電池電壓,當檢測到過度充電時,則過度充電檢測的功率MOSFET使之關斷而截止充電.此時應注意的是過度充電的檢測電壓的高精度化,在電池

9、充電時,使電池充電到飽滿的狀態是使用者很關心的問題,同時兼顧到安全性問題,因此需要在達到容許電壓時截止充電狀態.要同時符合這兩個條件,必須有高精度的檢測器,目前檢測器的精度為25mV,該精度將有待于進一步提高. 2. 降低保護IC的耗電 隨著使用時間的增加,已充過電的鋰離子電池電壓會逐漸降低,最后低到規格標準值以下,此時就需要再度充電.若未充電而繼續使用,可能造成由于過度放電而使電池不能繼續使用.為防止過度放電,保護IC必須檢測電池電壓,一旦達到過度放電檢測電壓以下,就得使放電一方的功率MOSFET 關斷而截止放電.但此時電池本身仍有自然放電及保護IC的消耗電流存在,因此需要使保護IC消耗的電

10、流降到最低程度. 3. 過電流/短路保護需有低檢測電壓及高精度的要求 因不明原因導致短路時必須立即停止放電.過電流的檢測是以功率MOSFET的Rds(on)為感應阻抗,以監視其電壓的下降,此時的電壓若比過電流檢測電壓還高時即停止放電.為了使功率MOSFET的Rds(on)在充電電流與放電電流時有效應用,需使該阻抗值盡量低,目前該阻抗約為20m30m,這樣過電流檢測電壓就可較低. 4. 耐高電壓 電池包與充電器連接時瞬間會有高壓產生,因此保護IC應滿足耐高壓的要求. 5. 低電池功耗 在保護狀態時,其靜態耗電流必須要小0.1uA. 6. 零伏可充電 有些電池在存放的過程中可能因為放太久或不正常的

11、原因導致電壓低到0V,故保護IC需要在0V時也可以實現充電. 保護IC發展展望 如前所述,未來保護IC將進一步提高檢測電壓的精度、降低保護IC的耗電流和提高誤動作防止功能等,同時充電器連接端子的高耐壓也是研發的重點. 在封裝方面,目前已由SOT23-6逐漸轉向SON6封裝,將來還有CSP封裝,甚至出現COB產品用以滿足現在所強調的輕薄短小要求. 在功能方面,保護IC不需要集成所有的功能,可根據不同的鋰電池材料開發出單一保護IC,如只有過充保護或過放保護功能,這樣可以大大減少成本及尺寸. 當然,功能組件單晶體化是不變的目標,如目前手機制造商都朝向將保護IC、充電電路以及電源管理IC等外圍電路與邏

12、輯IC構成雙芯片的芯片組,但目前要使功率MOSFET的開路阻抗降低,難以與其它IC集成,即使以特殊技術制成單芯片,恐怕成本將會過高.因此,保護IC的單晶體化將需一段時間來解決. 看了不少資料和文章，自己也在研究，但是在鋰電池保護電路方面，很難找到不錯的探討專題。鄙人認為，只有多多討論，才能一起進步，相信這也是不少同志持有的觀點。那么，鄙人不才，權且當個探路人，先拋兩塊石頭，希望能引出更多大家的言論。保護電路是專為鋰電池這類可再充電的電池設計的,主要提供過充電、過放電和過電流的保護功能,此外還提供從保護狀態下恢復的功能,有些還可以提供電池0V充電的功能。（不知道是否有電路還提供一些其他的功能？或

13、者說需要一些特殊的功能，但就目前常用的保護電路來說，無法實現？）鋰電池保護電路中，主要組成部分是保護IC和MOSFET，而安全保護IC主要控制回路中充電和放電MOSFET的通斷。這里我只是將一些參數做簡單的羅列，并不打算詳細說明，也不去羅嗦。如有漏掉的內容，還請各位補充！（過充保護電壓及釋放電壓: 過放保護電壓及釋放電壓:過充電電流:過放電電流:短路保護電流:過充保護延遲時間:過放保護延遲時間:過充電電流延遲時間:過放電電流延遲時間: 短路保護電流延遲時間:）保護電路的原理如下，也是簡單說明，有說得不到之處，還請各位指出：1    在充電過程中,當電芯電壓超過安全保護IC的

14、過充電檢測電壓（4.254.3V）,并且這種狀態持續且超過安全保護IC的過充電檢測延遲時間(1000ms),安全保護IC將斷開充電MOSFET以停止充電。2    在過充電保護狀態下,當電芯的電壓恢復到安全保護IC的過充電恢復檢測電壓（4.154.2V）以下,并延時一段以后,安全保護IC將閉合充電MOSFET,使回路恢復到正常狀態;或者,電池外加一個負載放電,安全保護IC也將閉合充電MOSFET使回路恢復到正常狀態。3    在放電過程中,當電芯電壓低于安全保護IC的過放電檢測電壓（2.3V）,并且這種狀態持續且超過安全保護IC的過放電檢測延遲時間（12

15、5ms）,安全保護IC將斷開放電MOSFET以停止電池放電功能。4    在過放電保護狀態下,當電芯的電壓恢復到安全保護IC的過放電恢復檢測電壓(2.4V)以上,并且電池正負兩端有一充電電壓觸發,安全保護IC將閉合放電MOSFET,使回路恢復到正常狀態。5    過流保護。當工作電流超出設定值時,由保護IC切斷MOSFET管.等工作電流回歸到允許的電壓是,重新恢復MOSFET管的導通.6    短路保護。其實這個功能是過流保護的擴展,當保護IC檢測電池輸出正負極之間電壓小于規定值時,認為此時電池處于短路狀態,立即切斷回路.等短路的故障

16、排除再恢復回路.短路時電池的輸出正負極的電壓為零,而實際電芯的電壓還是正常的.7    有些保護電路具備0V充電功能,當電池電芯的電壓通過自放電或其他方式降為0V時,電池能夠通過充電器充電。就鄙人目前對保護電路了解的情況看，主要分成兩種形式：一：    保護IC與MOSFET分離式。        這種結構是目前市面上最常用的方式。根據應用檔次的不同，保護IC和MOSFET的品牌也有所不同。    檔次要求高點的：IC用R5421，S-8261，MM3090；MOSFET用TPC8209，MCH

17、6405        檔次要求低點的：IC用SC451，AM7021，DW01；MOSFET用AO8810，FSD9926        更低點的：用CS213+單MOS產品二：        保護IC與MOSFET集成式        這種結構在近兩年已經上市，而且了解到也有一些公司在使用，只是相對比例不大，但很有潛力        目前只有科園一家在做這樣的產品，他們也是根據應用檔次的不同，

18、從高到低依次分成CR6001，CR6002，CR6003，CR6005。鄙人看來，這幾款主要區別還在MOS的內阻上，應用檔次越高，內阻越小。                這兩種結構各有優劣。        從性能上講：分離式的耐壓和過流方面更具有可選性，而且在溫度高低對整個電路的影響上來講，分離式的似乎更占有優勢，某些參數上溫漂影響較小（這也是鄙人從朋友那里得到的信息，是否如此？還希望有經驗的朋友發表個人的看法）內置MOS，溫度有限，并且只能在小功率的應用中。大功率的應用是

19、否會是一個瓶頸？        從價格上講：    內置式的，無論在備貨、生產、檢測中都具有強烈的優勢。據了解，科園系列產品在綜合成本上比分離式的有著很大的優勢        就算內置式的不適用于大功率的應用，但就目前手機、MP3、相機等電池中，內置式所占的比重仍然較小，一定有其先天的問題。還請熟悉情況的各位指點一二，讓其他人都能對這部分有更多的了解。手機鋰離子電池保護電路原理分析手機鋰離子電池保護電路原理分析由于鋰離子電池的特性與其它可充電電池不同，內部通常都帶有一塊電路板，不少人對該電路的作

20、用不了解（有些人可能還不知道鋰電里有保護電路），下面將對鋰離子電池的特點及其保護電路工作原理進行闡述。      鋰電池分為一次電池和二次電池兩類，目前在手機里的備用電池因耗電小主要使用不可充電的一次鋰電池，而在手機主電池因耗電量較大則使用可充電的二次電池，即鋰離子電池。     與鎳鎘和鎳氫電池相比，鋰離子電池具備以下幾個優點：     1、電壓高，單節鋰離子電池的電壓可達到3.6V，遠高于鎳鎘和鎳氫電池的1.2V電壓。     2、容量密度大，其容量密度是鎳氫電池或鎳鎘電池的1.5-2.5倍

21、。     3、荷電保持能力強（即自放電小），在放置很長時間后其容量損失也很小。     4、壽命長，正常使用其循環壽命可達到500次以上。     5、沒有記憶效應，在充電前不必將剩余電量放空，使用方便。    由于鋰離子電池的化學特性，在正常使用過程中，其內部進行電能與化學能相互轉化的化學正反應，但在某些條件下，如對其過充電、過放電和過電流將會導致電池內部發生化學副反應,該副反應加劇后，會嚴重影響電池的性能與使用壽命，并可能產生大量氣體，使電池內部壓力迅速增大后爆炸而導致安全問題，因此所有的鋰離子電池都需要一個

22、保護電路，用于對電池的充、放電狀態進行有效監測，并在某些條件下關斷充、放電回路以防止對電池發生損害。    下圖為一個典型的鋰離子電池保護電路原理圖。      如上圖所示，該保護回路由兩個MOSFET（V1、V2）和一個控制IC（N1）外加一些阻容元件構成。控制IC負責監測電池電壓與回路電流，并控制兩個MOSFET的柵極，MOSFET在電路中起開關作用，分別控制著充電回路與放電回路的導通與關斷，C3為延時電容，該電路具有過充電保護、過放電保護、過電流保護與短路保護功能，其工作原理分析如下：    1、正常狀態 &

23、#160;   在正常狀態下電路中N1的“CO”與“DO”腳都輸出高電壓，兩個MOSFET都處于導通狀態，電池可以自由地進行充電和放電，由于MOSFET的導通阻抗很小，通常小于30毫歐，因此其導通電阻對電路的性能影響很小。 此狀態下保護電路的消耗電流為A級，通常小于7A。     2、過充電保護     鋰離子電池要求的充電方式為恒流/恒壓，在充電初期，為恒流充電，隨著充電過程，電壓會上升到4.2V(根據正極材料不同，有的電池要求恒壓值為4.1V)，轉為恒壓充電，直至電流越來越小。     電池在被充電過程中，如果充電器電路

24、失去控制，會使電池電壓超過4.2V后繼續恒流充電，此時電池電壓仍會繼續上升，當電池電壓被充電至超過4.3V時，電池的化學副反應將加劇，會導致電池損壞或出現安全問題。     在帶有保護電路的電池中，當控制IC檢測到電池電壓達到4.28V（該值由控制IC決定，不同的IC有不同的值）時，其“CO”腳將由高電壓轉變為零電壓，使V2由導通轉為關斷，從而切斷了充電回路，使充電器無法再對電池進行充電，起到過充電保護作用。而此時由于V2自帶的體二極管VD2的存在，電池可以通過該二極管對外部負載進行放電。在控制IC檢測到電池電壓超過4.28V至發出關斷V2信號之間，還有一段延時時間，該延時

25、時間的長短由C3決定，通常設為1秒左右，以避免因干擾而造成誤判斷。    3、過放電保護     電池在對外部負載放電過程中，其電壓會隨著放電過程逐漸降低，當電池電壓降至2.5V時，其容量已被完全放光，此時如果讓電池繼續對負載放電，將造成電池的永久性損壞。     在電池放電過程中，當控制IC檢測到電池電壓低于2.3V（該值由控制IC決定，不同的IC有不同的值）時，其“DO”腳將由高電壓轉變為零電壓，使V1由導通轉為關斷，從而切斷了放電回路，使電池無法再對負載進行放電，起到過放電保護作用。而此時由于V1自帶的體二極管VD1的存在，充電

26、器可以通過該二極管對電池進行充電。     由于在過放電保護狀態下電池電壓不能再降低，因此要求保護電路的消耗電流極小，此時控制IC會進入低功耗狀態，整個保護電路耗電會小于0.1A。     在控制IC檢測到電池電壓低于2.3V至發出關斷V1信號之間，也有一段延時時間，該延時時間的長短由C3決定，通常設為100毫秒左右，以避免因干擾而造成誤判斷。    4、過電流保護     由于鋰離子電池的化學特性，電池生產廠家規定了其放電電流最大不能超過2C（C=電池容量/小時），當電池超過2C電流放電時，將會導致電池的永久性損

27、壞或出現安全問題。     電池在對負載正常放電過程中，放電電流在經過串聯的2個MOSFET時，由于MOSFET的導通阻抗，會在其兩端產生一個電壓，該電壓值U=I*RDS*2, RDS為單個MOSFET導通阻抗，控制IC上的“V-”腳對該電壓值進行檢測，若負載因某種原因導致異常，使回路電流增大，當回路電流大到使U>0.1V（該值由控制IC決定，不同的IC有不同的值）時，其“DO”腳將由高電壓轉變為零電壓，使V1由導通轉為關斷，從而切斷了放電回路，使回路中電流為零，起到過電流保護作用。     在控制IC檢測到過電流發生至發出關斷V1信號之間，也有一

28、段延時時間，該延時時間的長短由C3決定，通常為13毫秒左右，以避免因干擾而造成誤判斷。     在上述控制過程中可知，其過電流檢測值大小不僅取決于控制IC的控制值，還取決于MOSFET的導通阻抗，當MOSFET導通阻抗越大時，對同樣的控制IC，其過電流保護值越小。     5、短路保護     電池在對負載放電過程中，若回路電流大到使U>0.9V（該值由控制IC決定，不同的IC有不同的值）時，控制IC則判斷為負載短路，其“DO”腳將迅速由高電壓轉變為零電壓，使V1由導通轉為關斷，從而切斷放電回路，起到短路保護作用。短路保護的延時

29、時間極短，通常小于7微秒。其工作原理與過電流保護類似，只是判斷方法不同，保護延時時間也不一樣。     以上詳細闡述了單節鋰離子電池保護電路的工作原理，上面電路中所用的控制IC為日本理光公司的R5421系列，在實際的電池保護電路中，還有許多其它類型的控制IC，如日本精工的S-8241系列、日本MITSUMI的MM3061系列、臺灣富晶的FS312和FS313系列、臺灣類比科技的AAT8632系列等等，其工作原理大同小異，只是在具體參數上有所差別，有些控制IC為了節省外圍電路，將濾波電容和延時電容做到了芯片內部，其外圍電路可以很少，如日本精工的S-8241系列。  

30、  除了控制IC外，電路中還有一個重要元件，就是MOSFET，它在電路中起著開關的作用，由于它直接串接在電池與外部負載之間，因此它的導通阻抗對電池的性能有影響，當選用的MOSFET較好時，其導通阻抗很小，電池包的內阻就小，帶載能力也強，在放電時其消耗的電能也少。     隨著科技的發展，手機的體積越做越小，而隨著這種趨勢，對鋰離子電池的保護電路體積的要求也越來越小，在這兩年已出現了將控制IC和MOSFET整合成一顆保護IC的產品，如DIALOG公司的DA7112系列，有的廠家甚至將整個保護電路封裝成一顆小尺寸的IC，如MITSUMI公司的產品。   &#

31、160;手機的鋰離子電池在損壞后，有些是保護電路出故障(尤其是進水機的電池)，因此有些鋰電可以拆開來修復，既環保又不浪費離子電池保護電路設計電子設計信息網摘要:本文介紹了鋰離子電池保護電路:過度充電保護、過電流/ 短路保護和過放電保護等原理及主要設計思路,并通過計算確定其相關參數。 關鍵詞:集成保護電路;充電保護;放電保護;過電流及短路電流保護 近年來,鋰電池由于具有體積小、質量輕、能量密度高、無記憶效應、循環壽命高、電池電壓高和自放電率低等優點,因而在PDA 、數碼相機、手機、便攜式音訊設備和藍牙設備等越來越多的產品上采用鋰電池作為主要電源。但鋰電池與鎳鎘、鎳氫電池不太一樣,鋰電池必須考慮充

32、電、放電時的安全性,以防止特性劣化。但鋰離子電池能量密度高,難以確保電池的安全性,在過度充電狀態下,電池溫度上升后能量將過剩,于是電解液分解而產生氣體,容易使內壓上升而產生自燃或破裂的危險;反之,在過度放電狀態下,電解液因分解導致電池特性及耐久性劣化,降低可充電次數。因此鋰電池的過充、過度放電、過電流及短路保護很重要,所以通常都會在電池包內設計保護線路,用以保護鋰電池。 1 電路設計 1.1 電路概述 鋰離子電池保護電路包括過度充電保護、過電流/ 短路保護和過放電保護等,該電路就是要確保這樣的過度充電及放電狀態時的安全,并防止特性劣化。它主要由集成保護電路IC、貼片電阻、貼片電容、場

33、效應管(MOSFET) 、有的還有熱敏電阻(NTC) 、識別電阻( ID) 、保險絲( FUSE) 等構成。其電路圖如圖1所示。圖1 鋰離子電池保護電路圖 其中集成保護電路IC 用來檢測保護電路當前的電壓、電流、時間等參數以此來控制場效應管的開關狀態;場效應管(MOSFET) 則根據保護IC 來控制回路中是否有需開或關; 貼片電阻用作限流; 貼片電容作用為濾波、調節延遲時間;熱敏電阻用來檢測電池塊內的環境溫度; 保險絲防止流過電池的電流過大,切斷電流回路。 1.2 電路原理及參數確定 1.2.1 過度充電保護 當充電器對鋰電池過度充電時,鋰電池會因溫度上升而導致內壓上升,需終止當前充電的狀態。此時,集成保護電路IC 需檢測電池電壓,當到達4.25V 時(假設電池過充電壓臨界點為4.25 V) 即激活過度充電保護,將功率MOS 由開轉為切斷,進而截止充電。另外,為防止由于噪音所產生的過度充電而誤判為過充保護,因此需要設定延遲時間,并且延遲時間不能短于噪音的持續時間以免誤判。過充電保護延時時間tv