單節(jié)鋰電池保護(hù)電路和3.7v鋰電池保護(hù)板原理介紹2021-07-22 08:07
單節(jié)鋰電池充放電保護(hù)電路的具體組成方案較多，但工作原理相差不大，下面以在手機(jī)中用得較多的一種電路為例進(jìn)行分析，供參考。
該電路的控制芯片為DW01（或312F），MOS開(kāi)關(guān)管為8205A，如圖6所示，B＋、B-分別是接電芯的正、負(fù)極；P＋、P-分別是保護(hù)板輸出的正、負(fù)極；T為溫度電阻（NTC）端口，一般需要與用電器的CPU配合才能進(jìn)行保護(hù)控制。
DWO1或312F是一款鋰電池保護(hù)芯片，內(nèi)置有高精確度的電壓檢測(cè)與時(shí)間延遲電路，主要參數(shù)如下：過(guò)充檢測(cè)電壓為3V，過(guò)充釋放電壓為4.05V；過(guò)放檢測(cè)電壓為2.5V，過(guò)放釋放電壓為3.0V；過(guò)流檢測(cè)電壓為5V，短路電流檢測(cè)電壓為1.0V；DW01允許電池輸出的最大電流是3.3A。該芯片的引腳功能見(jiàn)表1。
（1）正常工作
該保護(hù)板的電路如圖7所示，當(dāng)電芯電壓在2.5V～4.3V之間時(shí)，DW01的①、③腳均輸出高電平（等于供電電壓），②腳電壓為0V。此時(shí)8205A內(nèi)的兩只N溝道場(chǎng)效應(yīng)管Q1、Q2均處于導(dǎo)通狀態(tài)，由于8205A的導(dǎo)通電阻很小，相當(dāng)于D、S極間直通，此時(shí)電芯的負(fù)極與保護(hù)電路的P-端相當(dāng)于直接連通，保護(hù)電路有電壓輸出，其電流回路如下：B＋→P＋→負(fù)載。P-→8205A的②、③腳→8205A的①腳→8205A的⑧腳→8205A的⑥、⑦腳→B-。
【提示】在此電路中，8205A內(nèi)部場(chǎng)效應(yīng)管Q1、Q2可等效為兩只開(kāi)關(guān)，當(dāng)Q1或Q2的G極電壓大于1V時(shí)，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，D、S間內(nèi)阻很?。〝?shù)十毫歐姆），相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合；當(dāng)G極電壓小于0.7V時(shí)，開(kāi)關(guān)管截止，D、S極間的導(dǎo)通內(nèi)阻很大（幾兆歐姆），相當(dāng)于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。
（2）過(guò)放電保護(hù)
當(dāng)電芯通過(guò)外接的負(fù)載進(jìn)行放電時(shí)，電芯兩端的電壓將慢慢降低，同時(shí)DW01內(nèi)部將通過(guò)電阻R1實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電芯電壓，當(dāng)電芯電壓下降到2.3V（通常稱(chēng)為過(guò)放保護(hù)電壓）時(shí)，DWO1認(rèn)為電芯已處于過(guò)放電狀態(tài)，其①腳電壓變?yōu)?，8205A內(nèi)Q1截止，此時(shí)電芯的B-與-之間處于斷開(kāi)狀態(tài)，即電芯的放電回路被切斷，電芯將停止放電。
進(jìn)入過(guò)放電保護(hù)狀態(tài)后，電芯電壓會(huì)上升，若能上升到IC的門(mén)限電壓（一般為3.1V，通常稱(chēng)為過(guò)放保護(hù)恢復(fù)電壓），DW0的①腳恢復(fù)輸出高電平，8205A內(nèi)的Q1再次導(dǎo)通。
（3）電池充電
無(wú)論保護(hù)電路是否進(jìn)入過(guò)放電狀態(tài)，只要給保護(hù)電路的P＋與P-端間加上充電電壓，DW0經(jīng)B一端檢測(cè)到充電電壓后，便立即從③腳輸出高電平，8205A內(nèi)的Q2導(dǎo)通，即電芯的B-保護(hù)電路的P-通，充電器對(duì)電芯充電，其電流回路如下：充電器正極→p＋→B＋→B-、8205A的⑥、⑦腳→8205A的⑧腳→8205A的①腳→8205A的②、③腳→P-→充電器負(fù)極。
（4）過(guò)充電保護(hù)
充電時(shí)，當(dāng)電池通過(guò)充電器正常充電時(shí)，隨著充電時(shí)間的增加，電芯兩端的電壓將逐漸升高，當(dāng)電芯電壓升高到4.4V（通常稱(chēng)為過(guò)充保護(hù)電壓）時(shí)，DW01將判斷電芯已處于過(guò)充電狀態(tài)，便立即使③腳電壓降為0V，8205A內(nèi)的Q2因④腳為低電平而截止，此時(shí)電芯的B一極與保護(hù)電路的P-端之間處于斷開(kāi)狀態(tài)并保持，即電芯的充電回路被切斷，停止充電。
當(dāng)保護(hù)電路的P＋與P-端接上放電負(fù)載后，雖然Q2截止，但其內(nèi)部的二極管正方向與放電回路的電流方向相同，所以仍可對(duì)負(fù)載放電。當(dāng)電芯兩端電壓低于4.3V（通常稱(chēng)為過(guò)充保護(hù)恢復(fù)電壓）時(shí)，DW01將退出過(guò)充電保護(hù)狀態(tài)，③腳重新輸出高電平，Q2導(dǎo)通，即電芯的B-端與保護(hù)電路P-端又重新接上，電芯又能進(jìn)行正常的充放電。
（5）過(guò)流保護(hù)
由于MOs開(kāi)關(guān)管飽和導(dǎo)通時(shí)也存在內(nèi)阻，所以有電流流過(guò)時(shí)MOs開(kāi)關(guān)管的D、S極間就會(huì)產(chǎn)生壓降，保護(hù)控制IC會(huì)實(shí)時(shí)檢測(cè)MOs開(kāi)關(guān)管D、S極的電壓，當(dāng)電壓升到IC保護(hù)門(mén)限值（一般為0.15V，稱(chēng)為放電過(guò)流檢測(cè)電壓）時(shí)，其放電保護(hù)執(zhí)行端馬上輸出低電平，放電控制MOs開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，放電回路被斷開(kāi)。
DW01通過(guò)接在V-端和VSS端之間的電阻R2實(shí)時(shí)檢測(cè)MOs開(kāi)關(guān)管上的壓降。當(dāng)負(fù)載電流增大時(shí)，Q1或Q2上的壓降也必然增大，當(dāng)該壓降達(dá)到0.2V時(shí)，DWO1便判斷負(fù)載電流到達(dá)了極限值，于是其①腳電壓降為0V，8205A內(nèi)部的放電控制管Q1關(guān)閉，切斷電芯的放電回路。實(shí)現(xiàn)過(guò)電流保護(hù)。
（6）過(guò)溫保護(hù)
保護(hù)板上的T端口為過(guò)溫保護(hù)端，與用電器的CPU相連。常見(jiàn)的過(guò)溫保護(hù)電路較簡(jiǎn)單，就是在T端與P-端接一只NTC電阻，該電阻緊貼電芯安裝。當(dāng)用電器長(zhǎng)時(shí)間處于大功率工作狀態(tài)時(shí)（如手機(jī)長(zhǎng)時(shí)間處于通話狀態(tài)），電芯溫度會(huì)上升，則NTC阻值會(huì)逐漸下降，用電器的CPU對(duì)NTC阻值進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)阻值下降到CPU設(shè)定閾值時(shí)，CPU立即發(fā)出關(guān)機(jī)指令，讓電池停止對(duì)其供電，只維持很小的待機(jī)電流，從而達(dá)到保護(hù)電池的目的。
【提示】當(dāng)保護(hù)板處于保護(hù)狀態(tài)時(shí)，可以短接B-、P-端來(lái)激活保護(hù)板，這時(shí)控制芯片的充、放電保護(hù)執(zhí)行端（OC、OD）均會(huì)輸出高電平，讓MOs開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通。
該電路的控制芯片為DW01（或312F），MOS開(kāi)關(guān)管為8205A，如圖6所示，B＋、B-分別是接電芯的正、負(fù)極；P＋、P-分別是保護(hù)板輸出的正、負(fù)極；T為溫度電阻（NTC）端口，一般需要與用電器的CPU配合才能進(jìn)行保護(hù)控制。
DWO1或312F是一款鋰電池保護(hù)芯片，內(nèi)置有高精確度的電壓檢測(cè)與時(shí)間延遲電路，主要參數(shù)如下：過(guò)充檢測(cè)電壓為3V，過(guò)充釋放電壓為4.05V；過(guò)放檢測(cè)電壓為2.5V，過(guò)放釋放電壓為3.0V；過(guò)流檢測(cè)電壓為5V，短路電流檢測(cè)電壓為1.0V；DW01允許電池輸出的最大電流是3.3A。該芯片的引腳功能見(jiàn)表1。
（1）正常工作
該保護(hù)板的電路如圖7所示，當(dāng)電芯電壓在2.5V～4.3V之間時(shí)，DW01的①、③腳均輸出高電平（等于供電電壓），②腳電壓為0V。此時(shí)8205A內(nèi)的兩只N溝道場(chǎng)效應(yīng)管Q1、Q2均處于導(dǎo)通狀態(tài)，由于8205A的導(dǎo)通電阻很小，相當(dāng)于D、S極間直通，此時(shí)電芯的負(fù)極與保護(hù)電路的P-端相當(dāng)于直接連通，保護(hù)電路有電壓輸出，其電流回路如下：B＋→P＋→負(fù)載。P-→8205A的②、③腳→8205A的①腳→8205A的⑧腳→8205A的⑥、⑦腳→B-。
【提示】在此電路中，8205A內(nèi)部場(chǎng)效應(yīng)管Q1、Q2可等效為兩只開(kāi)關(guān)，當(dāng)Q1或Q2的G極電壓大于1V時(shí)，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，D、S間內(nèi)阻很?。〝?shù)十毫歐姆），相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合；當(dāng)G極電壓小于0.7V時(shí)，開(kāi)關(guān)管截止，D、S極間的導(dǎo)通內(nèi)阻很大（幾兆歐姆），相當(dāng)于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。
（2）過(guò)放電保護(hù)
當(dāng)電芯通過(guò)外接的負(fù)載進(jìn)行放電時(shí)，電芯兩端的電壓將慢慢降低，同時(shí)DW01內(nèi)部將通過(guò)電阻R1實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電芯電壓，當(dāng)電芯電壓下降到2.3V（通常稱(chēng)為過(guò)放保護(hù)電壓）時(shí)，DWO1認(rèn)為電芯已處于過(guò)放電狀態(tài)，其①腳電壓變?yōu)?，8205A內(nèi)Q1截止，此時(shí)電芯的B-與-之間處于斷開(kāi)狀態(tài)，即電芯的放電回路被切斷，電芯將停止放電。
進(jìn)入過(guò)放電保護(hù)狀態(tài)后，電芯電壓會(huì)上升，若能上升到IC的門(mén)限電壓（一般為3.1V，通常稱(chēng)為過(guò)放保護(hù)恢復(fù)電壓），DW0的①腳恢復(fù)輸出高電平，8205A內(nèi)的Q1再次導(dǎo)通。
（3）電池充電
無(wú)論保護(hù)電路是否進(jìn)入過(guò)放電狀態(tài)，只要給保護(hù)電路的P＋與P-端間加上充電電壓，DW0經(jīng)B一端檢測(cè)到充電電壓后，便立即從③腳輸出高電平，8205A內(nèi)的Q2導(dǎo)通，即電芯的B-保護(hù)電路的P-通，充電器對(duì)電芯充電，其電流回路如下：充電器正極→p＋→B＋→B-、8205A的⑥、⑦腳→8205A的⑧腳→8205A的①腳→8205A的②、③腳→P-→充電器負(fù)極。
（4）過(guò)充電保護(hù)
充電時(shí)，當(dāng)電池通過(guò)充電器正常充電時(shí)，隨著充電時(shí)間的增加，電芯兩端的電壓將逐漸升高，當(dāng)電芯電壓升高到4.4V（通常稱(chēng)為過(guò)充保護(hù)電壓）時(shí)，DW01將判斷電芯已處于過(guò)充電狀態(tài)，便立即使③腳電壓降為0V，8205A內(nèi)的Q2因④腳為低電平而截止，此時(shí)電芯的B一極與保護(hù)電路的P-端之間處于斷開(kāi)狀態(tài)并保持，即電芯的充電回路被切斷，停止充電。
當(dāng)保護(hù)電路的P＋與P-端接上放電負(fù)載后，雖然Q2截止，但其內(nèi)部的二極管正方向與放電回路的電流方向相同，所以仍可對(duì)負(fù)載放電。當(dāng)電芯兩端電壓低于4.3V（通常稱(chēng)為過(guò)充保護(hù)恢復(fù)電壓）時(shí)，DW01將退出過(guò)充電保護(hù)狀態(tài)，③腳重新輸出高電平，Q2導(dǎo)通，即電芯的B-端與保護(hù)電路P-端又重新接上，電芯又能進(jìn)行正常的充放電。
（5）過(guò)流保護(hù)
由于MOs開(kāi)關(guān)管飽和導(dǎo)通時(shí)也存在內(nèi)阻，所以有電流流過(guò)時(shí)MOs開(kāi)關(guān)管的D、S極間就會(huì)產(chǎn)生壓降，保護(hù)控制IC會(huì)實(shí)時(shí)檢測(cè)MOs開(kāi)關(guān)管D、S極的電壓，當(dāng)電壓升到IC保護(hù)門(mén)限值（一般為0.15V，稱(chēng)為放電過(guò)流檢測(cè)電壓）時(shí)，其放電保護(hù)執(zhí)行端馬上輸出低電平，放電控制MOs開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，放電回路被斷開(kāi)。
DW01通過(guò)接在V-端和VSS端之間的電阻R2實(shí)時(shí)檢測(cè)MOs開(kāi)關(guān)管上的壓降。當(dāng)負(fù)載電流增大時(shí)，Q1或Q2上的壓降也必然增大，當(dāng)該壓降達(dá)到0.2V時(shí)，DWO1便判斷負(fù)載電流到達(dá)了極限值，于是其①腳電壓降為0V，8205A內(nèi)部的放電控制管Q1關(guān)閉，切斷電芯的放電回路。實(shí)現(xiàn)過(guò)電流保護(hù)。
（6）過(guò)溫保護(hù)
保護(hù)板上的T端口為過(guò)溫保護(hù)端，與用電器的CPU相連。常見(jiàn)的過(guò)溫保護(hù)電路較簡(jiǎn)單，就是在T端與P-端接一只NTC電阻，該電阻緊貼電芯安裝。當(dāng)用電器長(zhǎng)時(shí)間處于大功率工作狀態(tài)時(shí)（如手機(jī)長(zhǎng)時(shí)間處于通話狀態(tài)），電芯溫度會(huì)上升，則NTC阻值會(huì)逐漸下降，用電器的CPU對(duì)NTC阻值進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)阻值下降到CPU設(shè)定閾值時(shí)，CPU立即發(fā)出關(guān)機(jī)指令，讓電池停止對(duì)其供電，只維持很小的待機(jī)電流，從而達(dá)到保護(hù)電池的目的。
【提示】當(dāng)保護(hù)板處于保護(hù)狀態(tài)時(shí)，可以短接B-、P-端來(lái)激活保護(hù)板，這時(shí)控制芯片的充、放電保護(hù)執(zhí)行端（OC、OD）均會(huì)輸出高電平，讓MOs開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通。
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