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1、锂离子电池保护电路基础,概要,保护电路基本构成各元器件简要介绍保护电路工作原理保护电路的附加功能保护电路的发展趋势,保护电路基本构成,一、控制电路 二、控制开关 三、保护器,保护电路使用的元件有：保护IC、场效应管（MOSFET）、贴片电阻、贴片电容、热敏电阻、识别电阻（或识别IC)、保险丝、PTC等。,另外： 部分保护电路还有温度保护、识别功能。,保护电路基本构成,元器件简要介绍,元器件简要介绍-贴片电阻,基本参数有：封装、额定功率、阻值、允许偏差等。1、封装：表示电阻的尺寸大小，有两种表示方法（1）EIA（美国电子工业协会）代码：以英寸为单位，用4位数字表示长和宽，前2位表示长、后2位表示
2、宽；（2）米制代码：以毫米为单位，也是用4位数字表示长和宽；2、功率：表示通过电流的能力，P=I2*R。下表为7种电阻尺寸代码及功率：,元器件简要介绍-贴片电阻,3、阻值：贴片电阻表面上用三位数字(常见)表示阻值其中第一、二位为有效数字，第三位数字表示倍率即有效数字*10n，有小数点时用“R”来表示，并占一位有效位数字如：103表示10103=10K； 511表示51101=510；2R2表示2.2；另:用四位数字表示阻值时：前三位为有效数字，第四位数字表示 倍率。4、允许偏差：B档表示0.1；D档表示0.5；F档表示1；J档表示5； K档表示10； M档表示20等。,元器件简要介绍-贴片电容
3、,基本参数：封装、耐压、容值、允许偏差、材质、阻抗等1、封装：其尺寸代码与贴片电阻相同(高度有所差别)。2、耐压：不同容值、不同封装、不同偏差的电容厂家能做到的耐压值也不相同。一般容值越低，耐压值越高；封装尺寸越大耐压值也越高；偏差越大耐压值越高。3、容值：容值表示方法与电阻类似如：104表示10104pF=100000pF=0.1uF；2R2表示2.2pF；注：容值常用单位是pF，其中1pF=10-3nF =10-6uF=10-12F 4、允许偏差：允许偏差表示方法也与电阻类似F档表示1； J档表示5； K档表示10；M档表示20； N档表示30；Z档表示+80,-20。5、材质：COG(N
4、PO)容值精度为5； X5R(X7R)容值精度为10；Y5V容值精度为20；Z5U容值精度为+80,-20；,元器件简要介绍-热敏电阻,有PTC(POSITIVE TEMPERATURE COEFFICENT)正温度系数，如过流保护器；NTC(NEGATIVE TEMPERATURE COEFFICENT)负温度系数两种。 NTC基本参数有封装尺寸、阻值、允许偏差(与电阻电容类似)，B常数、B值偏差等。NTC阻值随温度呈非线性变化，NTC热敏电阻的阻值随温度的变化函数如下式：R25C是热敏电阻在室温下的阻值，是热敏电阻材料的开尔文(Kelvins)常数，T是热敏电阻的实际摄氏温度。,元器件简要
5、介绍-保险丝,基本参数有封装尺寸、电流与熔断时间、内阻等。1、封装尺寸：与贴片电阻表示方法相同。2、电流与熔断时间：电流越大，熔断时间越短，以力特434系 列为例，厂家建议设计为正常工作电流=3/4额定电流：3、内阻：较低，一般为10m左右。,元器件简要介绍-场效应管,一、概述：场效应管是电压控制器件，缩写为FET。,二、类型：有N沟道与P沟道两种N沟道：高电平导通P沟道：低电平导通 三、基本参数：耐压：VDSS 、 VGSS耐流：ID(DC)、 ID(pulse)内阻：RDS(on）封装：SO-8、TSSOP-86IP HWSON、ECH8,元器件简要介绍-场效应管,说明：1、场效应管与三极
6、管的区别：场效应管：电压控制器件，内阻小，耗电小，电流可双向流动；三极管：电流控制器件，内阻较大，耗电很大，电流不可双向流动。2、N沟道场效应管与P沟道场效应管相比：N沟道高电平导通，内阻较小，价格较低；P沟道低电平导通，内阻较大，价格较高。3、内阻：指场效应管导通时D、S间的阻抗，VGS电压越高时，内阻越低；ID电流越大时，内阻越高。4、保护电路中，单双节保护电路常用N沟道场效应管，多节常用P沟道场效应管。5、目前常用N沟道场效应管：FW232、uPA1870、FDW2509NZuPA2450、uPA2452、ECH8601例如：uPA1870基本参数为 内部VDSS=20V,VGSS=12
7、V, 结构图 ID(DC) =6A,ID(pulse) =80ARDS(on）=13-21m(VGSS=4V, ID =3A),元器件简要介绍-保护IC,一、概述:保护IC分单节保护IC与多节（串联）用保护IC，基本功能：过充保护、过放保护、过流保护、短路保护等；基本参数：过充电保护（释放）电压、过放电保护（释放） 电压、过充（过放、过流、短路）保护延时等。 二、单节保护IC1、内部结构(理光R5421N系列)：管脚说明：,元器件简要介绍-保护IC,2、基本参数：略 3、封装（尺寸）：SOT-23-6SON6SOT-23-5SON5注：有些保护IC延迟电容是内置的，如精工(Seiko)S-82
8、41、S-8261系列，理光(RICOH)R5426N系列。,元器件简要介绍-保护IC,三、多节保护IC1、2节保护IC：S-8232、MM1292等；2、3节保护IC：S-8233、MM1414等；3、4节保护IC：MM1294、MM1414等；封装：TSSOP-8、SOP-8、SOP-14、TSSOP-16、TSSOP-20,单节保护电路工作原理,一、应用电路（以理光R5421N系列为例）,单节保护电路工作原理,二、工作状态说明1、正常状态：IC的电源电压介于过放电保护电压VDET2和过充电保护电压VDET1之间，DOUT端和COUT端的输出皆为高电平，充、放电MOSFET处于导通状态，电
9、池充放电都可进行；2、过充电状态：充电时，若电池电压升高使VDDVDET1，经过tVDET1的延时后，COUT端变成低电平，将充电控制MOSFET关断，停止充电；3、过充保护解除条件：当VDD降低至过充解除电压VREL1以下（不接负载）或VDD降低至过充电关断电压VDET1以下（加上负载），即可恢复到可充电状态；4、过放电状态：当电池放电至电压等于或低于VDET2，并经过tVDET2的延时后，DOUT端变成低电平，控制放电控制MOSFET关断，停止电池向负载放电。充电电流仍可通过二极管流通。5、过放保护解除条件：当VDD上升至过放解除电压VREL2以上（不接充电器）或VDD上升至过放电关断电压
10、VDET2以上（接充电器），即可恢复到可放电状态；,单节保护电路工作原理,6、过流保护：在放电时，因负载变化会导致放电电流变化，放电电流增大时V-的电压会升高，当V-VDET3，并且经过tVDET3的延时后，DOUT端的输出变为低电平，关断放电回路。解除过流状态后，使V-VDET3电路恢复正常。 7、短路保护：短路保护与过流保护相似，不同的是tSHORT远小于tVDET3 ，VSHORT 远大于VDET3。当发生短路时V-迅速增大，当V-VSHORT且经过tSHORT后，DOUT端出变为低电平，关断回路。解除短路状态后，使V-VSHORT电路恢复正常。短路峰值电流取决于充放电MOSFET导通电
11、阻和PCB布线电阻及VSHORT。注：VDET1过充电检测电压，VDET2过放电检测电压，VDET3过电流检测电压，tVDET1-过充电检测延时，tVDET2-过放电检测延时，tVDET2-过电流检测延时，V-保护IC的V-脚对VSS脚的压降，VSHORT-短路保护检测电压，tSHORT-短路保护检测延时；,单节保护电路工作原理,三、两参数确定1、过充电保护延时(外置电容)：计算公式为：tVdet1sec=(C3F*(VDDV-0.7)/(0.48X10-6)VDD-保护IC的过充电检测电压值。简便计算：延时时间=C3(UF)/0.01UF*77ms如：C3容值为0.22UF,则延时值为0.2
12、2/0.01X77=1694ms。注：严格计算还要考虑电容容值的偏差。 外置电容延时的优缺点：优点：过充电检测延时时间可以调整，适用于对延时有特殊要求且 一般内置延时的IC又不能达到要求的电路；缺点：元件数量增多，成本增加，故障率提高。,单节保护电路工作原理,2、过电流值的计算：依据公式I=U/RU-保护IC的过电流检测电压值(定值)；R-保护电路中从B-P-间的内阻值，具体来间说指的是保护IC的第6脚与R2外接B-、P-处的内阻(大电流回路中MOS管与PCB布线内阻之和)。如图所示红线部分例如：一个保护电路中保护IC检验电压为0.20V,R为40m(MOS管内阻以3.8V 左右估算)，则过电
13、流检测电压值0.20V/40m=5A注:实际应用中需考虑MOS管的内阻会随ID变化而变化。,单节保护电路工作原理,四、工作过程说明：1、充电过程接上充电器，充电电流经P+、保护器对电芯充电，经MOS管、P-回到充电器，随着充电不断进行电芯电压逐步上升。当电芯电压上升到VDET1，保护IC通过VDD、VSS检测到此电压，经过tVDET1的延迟后，COUT端变成低电平，充电MOS管关断，充电截止。注：当VDD电压降低至过充解除电压VREL1以下（不接负载）或VDD降低至过充电关断 电压VDET1以下（加上负载），即可恢复到可充电状态；,单节保护电路工作原理,2、放电过程当输出端接上负载，电芯经保护
14、器、 P+对负载放电，放电电流经P- 、 MOS管回到电芯。随着放电不断进行电芯电压逐步下降。当电芯电压下降至VDET2，保护IC检测到此电压，经过tVDET2的延迟后，DOUT端变成低电平，放电MOS管关断，放电截止。注：(1)对无休眠功能的IC：当VDD电压上升至过放解除电压VREL2以上(不接充电器)或VDD电压上升至过放电关断电压VDET2以上(接上充电器)，即可恢复到可放电状态；(2)对有休眠功能的IC：需接充电器且VDD电压上升至过放电关断电压VDO以上，才可恢复 到可放电状态；,单节保护电路工作原理,3、过电流过程放电过程中负载变化，当负载电流过大，IC的V-端检测的电压达到VD
15、ET3时，经过tVDET3的延迟后，DOUT端变成低电平，放电MOS管关断，过电流截止。 4、短路保护过程当P+、P-短路，回路中的电流急剧增加，IC的V-端检测的电压达到VSHORT时，经过tSHORT的延迟后，DOUT端变成低电平，放电MOS管关断，进入短路保护状态。注：当过流、短路解除后电路即可恢复正常。,单节保护电路工作原理,五、应用提示（参考）1、R1和C1用来稳定保护IC供电电压R1的推荐阻值：R11K，R1电阻值的增加会使在R1上造成压降增加，造成检测电压偏高；C1的推荐阻值：C11F,C1过小短路检测会导致DO发生振荡。2、R2和C2用来稳定V-脚电压R2的推荐阻值：R21K，
16、R2增大会使得过放电后接入充电器后复位的功能不能实现。C2的推荐阻值：C21F。3、时间常量R1C1和R2C2的关系如下：R1C2R2C2如果VDD 脚的时间常量R1C1大于V-脚的时间常量R2C2,，R5421NxxxC在过电流或短路保护后可能进入待机状态，且IC工作不稳定 另：R2和R1也可以在电池芯反接时或充电电压过高起到限流电路的作用。,单节保护电路工作原理,六、失效模式分析1、R1短路：(1)保护IC仍能工作；(2)当MOS管GS间漏流较大时，流过IC电流增大而损坏IC。R1开路：保护IC不工作，保护电路失效。2、C1短路：(1)VDD=VSS，IC不工作，保护电路失效；(2)电池自放电加快。C1开路：保护电路能工作，但当充电电压不稳定时会造成IC误动作。3、R2短路：(1)仍有过流、短路保护；(2)过流、短路后容易进入休眠模式（针对有休眠功能的IC）；(3)逆向充电时易击穿MOS管、IC；(4)ESD功能降低。R2开路：(1)无过流、短路保护；(2)无过充保护功能（过充MOS管不动作）？。,
