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1、保护板原理及测试技术1 锂离子电池特性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。 2 保护板的功能目前锂电池发展至今种类很多，主要以电 芯的串并联方式来设计保护板的功能，保护板 常见的功能有：过充电保护、过放电保护、短
2、 路/过流保护、温度保护、充电电流/电压控制 等功能。为了更好的发挥二次锂离子电芯的优 势，保护板的功能变得非常重要。3 保护板的主要元件主要元件主要功能IC命令的发出者，当IC检测到过充、过放、过流、短路时会发 出命令，让MOS关闭，从而切断整个回路MOS命令的执行者，当他接收到IC的命令时，会立刻断开回路。 其材料为半导体材料，因电位的改变其内部结构发生变化 。 FUSE保险丝，与家用的保险丝工作原理相同，当电流过大时， 会牺牲自己，保护整个回路。缺点：不可恢复。PTC一种高分子导体材料，当电流、温度过大时，其自身的电 阻剧增，使得回路阻塞；当电流、温度恢复时，其阻值会 下降，恢复正常工作
3、状态。缺点：内阻大。温控开关原理同PTC，目的在于检测某个元器件的温度，当温度过高 时，会切断回路，起到保护元器件的作用。运算管理电路主要控制电池的充放电电流，可以实现优化的充电方式， 延长电池的使用寿命，一般多用在多节电池组。4 保护板的工作原理单节保护板电气原理图：4-1 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4.1V ）,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
4、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。在控制IC检测到电池电压超过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。4-2 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
5、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。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 。4-3 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=电池容量/小时），当电池超过2C电 流放
6、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MOSFET时，由于MOSFET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MOSFET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
7、 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，其过电流检测值大小不仅取 决于控制IC的控制值，还取决于MOSFET的导通阻抗，当 MOSFET导通阻抗越大时，对同样的控制IC，其过电流保护值 越小。4-4 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
8、。4-5 其他保护功能FUSE：当保护板的IC、MOS由于静电或是其他因素而失效，FUSE 则起到了至关重要的作用，在电池短路或者是过流情况下， FUSE挺身而出，靠熔断自己来切断整个回路，彻底进行保护， 但由于进行得太彻底，无法进行自恢复，从而报废了整个电池 ，只有重新更换新的保护板。另外，如果设计失误，很可能造 成FUSE比IC提前动作，过早的切断回路。 优点：内阻、体积小 缺点：无法自恢复；熔断时间控制难 PTC：PTC的主要特性就是可以自恢复，当回路电流过大、温度过 高，其阻值剧增，甚至绝缘。当这些异常因素撤销的时候，自 身会自动恢复，将阻值减小，恢复到正常工作状态。 优点：可自行恢复
9、，减少返修 缺点：内阻、体积大 温度保护：原理同PTC5 保护板的检测保护板是电池的核心组成部分，故对保护 板的检测要求是非常严格的，随着电芯的数量 、保护板的功能的不同，检测的项目也不同。 具体检测方法参见单节锂电池保护板检测标 准D.TC.S.0002及两串保护板检测通用方法 。在检测保护板之前，应了解该板的技术规 格、要求以及配套电芯方可进行测试，避免操 作失误带来的错误判定。6 保护板的常见异常现象1、短路时MOS冒烟 2、短路后无法带起负载 3、ESD测试后无法带起负载、功能异常小结随着科技的发展，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MOSFET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MITSUMI公司的产品。 而且针对环保方面的要求也越来越高，如2006年 7月1日起施行的ROSH指令，还有对电池的可修复、 安全性方面的要求也逐渐提高，可见锂离子电池的 发展趋势具有非常大的潜力。
