鋰電池保護(hù)板的工作原理介紹

拆過(guò)手機(jī)或者平板的用戶(hù)，應(yīng)該都注意過(guò)，在手機(jī)或者平板的鋰電池部分，其上端有一塊質(zhì)地較軟且被塑料膜包裹起來(lái)的電路板。

電池大小不同，電路板尺寸也不一樣。揭開(kāi)塑料膜，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，其上布置了很多的元器件。

或許會(huì)有人問(wèn)，這塊板子究竟有何作用?其實(shí)呢，電池模組方面，沒(méi)了這塊電路板，還真沒(méi)人敢用了!

關(guān)于鋰電池的充放電，高中化學(xué)我們就學(xué)過(guò)，其主要依靠離子在正負(fù)極的移動(dòng)來(lái)完成的。充放電過(guò)程中，離子在兩極之間往返嵌入和脫嵌。充電時(shí)，正極會(huì)生成鋰離子,離子從正極嵌脫通過(guò)電解液進(jìn)入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)。放電則反之。然而在不加上述圖中的保護(hù)板的話(huà)，即很有可能會(huì)出現(xiàn)過(guò)充與過(guò)放。過(guò)充即正極離子轉(zhuǎn)移太多，過(guò)放即負(fù)極離子轉(zhuǎn)移過(guò)多。

無(wú)論是電池的過(guò)充還是過(guò)放，對(duì)電池的傷害都很大，同時(shí)也給用戶(hù)帶來(lái)了潛在的危害性。所以，為了避免電池的過(guò)充與過(guò)放，電池廠(chǎng)家往往會(huì)在電池上方加上這么一塊保護(hù)板，以避免過(guò)充，過(guò)放等對(duì)電池產(chǎn)生損壞的影響的發(fā)生。

也正是由于電路保護(hù)板的存在，使得鋰電池在正常使用時(shí)，很難出現(xiàn)過(guò)充與過(guò)放的現(xiàn)象。通常情況下，鋰電池的充電的終止電壓為4.2V，即電池充滿(mǎn)時(shí)的電池電壓為4.2V。而電路板設(shè)置的保護(hù)電壓往往會(huì)比這個(gè)高，有的為4.5V，當(dāng)因意外造成使得充電電池電壓超過(guò)4.5V即為過(guò)充。放電的截止電壓為3.0V，而電路板設(shè)置的保護(hù)的電壓比這個(gè)低，有的為2.8V，當(dāng)因意外放電放到2.8V以下，此時(shí)為過(guò)放。

圖示為我畫(huà)的簡(jiǎn)單的電路板原理圖的設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)單到不能再簡(jiǎn)單了。P+,P-為電池連接器上的VBAT+與VBAT-即主要與外界直接聯(lián)系的供電(圖一的紅黑兩條線(xiàn))。U1為控制IC芯片。根據(jù)外部電壓的變化，作出判斷，進(jìn)而打開(kāi)或者關(guān)閉Q1.Q2 MOS管，以保證電路的正常工作與斷開(kāi)。B+，B-為電池電芯的正負(fù)極。ID與TH均為選配，并不是每個(gè)電池保護(hù)板都有。ID方面，MCU通過(guò)讀取ID管腳電阻的阻值來(lái)獲悉電池的類(lèi)型信息。TH端接的是一個(gè)NTC電阻，根據(jù)NTC電壓，利用ADC轉(zhuǎn)換，可獲取其最終對(duì)應(yīng)的溫度值，以保證在電池高溫時(shí)可以停止充電并關(guān)機(jī)。

下面講一下，電池在不同的狀態(tài)下，電路板的工作情況：

1. 正常工作狀態(tài)

在正常工作狀態(tài)下，電路中U1的”CO”與“DO”都是高電平輸出，兩個(gè)MOS管都正常導(dǎo)通。構(gòu)成了完整的回路，電池可以正常的進(jìn)行充電與放電。且MOS管的導(dǎo)通電阻很小，在10毫歐左右。其導(dǎo)通電阻對(duì)電路的性能影響很小。

2. 過(guò)充保護(hù)

電池在充電過(guò)程中分為三個(gè)階段，分別為涓流充電，恒流充電以及恒壓充電。涓流充電即充電使得電芯電壓達(dá)到規(guī)格書(shū)中的要求電壓，一般為3V，這個(gè)過(guò)程的電流非常的小。待電池電壓充電達(dá)到3.0V以后，便進(jìn)入恒流充電，此時(shí)電流恒定，電壓不斷增大。當(dāng)電壓值增大到4.2V時(shí)，轉(zhuǎn)換為恒壓充電，此時(shí)電流會(huì)越來(lái)越小直至充滿(mǎn)。(里面的電壓值根據(jù)要求的不同，電壓值也略有差異)。

電池在充電的過(guò)程中，如果充電電路因意外失去控制，使得電芯電壓超過(guò)4.2V且滿(mǎn)足過(guò)充電壓的延時(shí)時(shí)間時(shí)，即進(jìn)入過(guò)充狀態(tài)，這個(gè)時(shí)候是比較危險(xiǎn)的。

但是如果有了保護(hù)板，就不用擔(dān)心了。其上的控制IC會(huì)檢測(cè)VDD-VSS壓差，當(dāng)壓差超過(guò)保護(hù)值時(shí)，IC控制“CO”腳將由高電平轉(zhuǎn)換為低電平，此時(shí)MOS管關(guān)斷，形成斷路，從而起到了充電保護(hù)的作用。

控制IC在檢測(cè)到電池電壓超過(guò)規(guī)定值關(guān)斷MOS管這一過(guò)程，存在一定的延時(shí)，目的是為了避免因干擾而造成誤判，同時(shí)在平板電池方面，延遲一般為1s。

遇到過(guò)充恢復(fù)的措施

a. P+與P-接上負(fù)載，因?yàn)镸OS管自帶體二極管，電池會(huì)通過(guò)二極管構(gòu)成回路對(duì)外放電，直至放電到正常電壓，MOS管導(dǎo)通即可繼續(xù)使用。

b. B+與B-接上負(fù)載，使得電芯兩端電壓下降到保護(hù)IC的過(guò)充恢復(fù)電壓。

3. 過(guò)放保護(hù)

電池在對(duì)外部負(fù)載放電時(shí)，電壓會(huì)不停的降低。當(dāng)電池將至設(shè)定值時(shí)(一般為3.0V)，其電池容量會(huì)放光。

放電過(guò)程中，當(dāng)出現(xiàn)過(guò)放，即放電至3.0V后，電池還在放電，且達(dá)到保護(hù)板設(shè)定的電壓值時(shí)(一般為2.8V)，控制IC檢測(cè)電芯電壓后，將“DO”腳將有高電平轉(zhuǎn)換為零電平，使得Q2mos管關(guān)斷，從而切斷放電回路，此時(shí)電池?zé)o法對(duì)負(fù)載進(jìn)行放電，起到了保護(hù)的作用。

遇到過(guò)放恢復(fù)的辦法

由于Q2體二極管的存在，可通過(guò)插入充電器，通過(guò)體二極管對(duì)電池進(jìn)行充電，恢復(fù)至電芯2.8V后解除保護(hù)板的保護(hù)，MOS管導(dǎo)通，形成完整回路，電池達(dá)到3.0V后開(kāi)機(jī)。

4. 過(guò)流保護(hù)

由于鋰電子電池的化學(xué)特性，電池廠(chǎng)家對(duì)充電與放電電流均設(shè)置了上限，當(dāng)超過(guò)這個(gè)上限時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致電池的永久性損壞。

拿放電舉例子，電池在正常放電時(shí)，放電電流會(huì)經(jīng)過(guò)串聯(lián)在一起的MOS管，由于MOS管自身存在導(dǎo)通阻抗，其兩端產(chǎn)生一個(gè)電壓，電壓值為U=2 I Rds，Rds為單個(gè)MOS管的導(dǎo)通阻抗?？刂艻C上的腳會(huì)對(duì)VM腳的電壓值不斷的檢測(cè)。若負(fù)載因?yàn)槟撤N原因?qū)е禄芈冯娏鬟^(guò)大，使得MOS管的導(dǎo)通壓降大于規(guī)定值時(shí)，其“DO”腳將會(huì)由高電平轉(zhuǎn)換為零電平，使得Q2 MOS管關(guān)斷，從而切斷回路，使得回路電流為0.起到過(guò)電流保護(hù)作用。

5. 短路保護(hù)

電池在對(duì)負(fù)載放電時(shí)，若回路電流大到使得VM腳檢測(cè)到的電壓值大于規(guī)定值時(shí)，控制IC則判斷為負(fù)載短路，其“DO”腳將迅速由高電平轉(zhuǎn)換為零電平，使得Q2 MOS管由導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷，從而切斷放電回路，起到短路保護(hù)的作用。短路保護(hù)的延時(shí)時(shí)間較短，通常是微秒級(jí)別。且短路保護(hù)的電流值遠(yuǎn)大于過(guò)流保護(hù)的電流值