前言：鋰元素在元素周期表中處于第三位，外層只有一個(gè)電子，是一種非常活潑的金屬，而鋰離子電池具有放電電流大，內(nèi)阻低，壽命長(zhǎng)，無(wú)記憶效應(yīng)等被人們廣泛應(yīng)用，鋰離子電池在使用時(shí)嚴(yán)禁出現(xiàn)過(guò)充電、過(guò)放電、以及短路等問(wèn)題，否則將會(huì)使得電池出現(xiàn)起火或者爆炸等問(wèn)題。所以在鋰電池電路中通常都會(huì)增加一個(gè)保護(hù)板電路來(lái)保護(hù)鋰離子電池的安全。

鋰電池保護(hù)板的作用

電池保護(hù)板通常有如下幾個(gè)作用：過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流、短路以及高溫保護(hù)。上述的幾個(gè)作用也是由鋰電池本身的材料決定的。電池保護(hù)板通常有保護(hù)電路板和PTC等器件組成。 保護(hù)電路板會(huì)時(shí)刻監(jiān)視電芯的電壓和充放電的電流，及時(shí)控制電流回路的通斷。

圖1-1 電池構(gòu)造

電池保護(hù)板的組成

保護(hù)板通常包括控制IC，MOS開(kāi)關(guān)，電阻、電容、PTC、NTC、ID以及存儲(chǔ)器等元器件組成，其中控制IC，在一切正常的情況下控制MOS管開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，使得電芯和外電路導(dǎo)通，而當(dāng)電芯電壓或者回路電流超過(guò)規(guī)定值時(shí)，它立即控制MOS開(kāi)關(guān)關(guān)斷，保護(hù)電芯的安全。

電池保護(hù)板的保護(hù)機(jī)制

圖1-2 電池保護(hù)板電路

下面介紹保護(hù)IC的各個(gè)PIN的主要功能：

VDD是保護(hù)IC的電源正極

VSS是保護(hù)IC的電源負(fù)極

V-是保護(hù)IC的過(guò)流、短路檢測(cè)端

Dout是放電保護(hù)端

Cout是充電保護(hù)端

B+和B-分別分別接電芯的正極和負(fù)極，P+和P-分別是保護(hù)板輸出的正極和負(fù)極，T為溫度檢測(cè)的NTC端口，NTC端口需要和MCU配合對(duì)電池進(jìn)行溫度保護(hù)。這個(gè)端口有時(shí)也會(huì)標(biāo)記為ID，用于電池的端口識(shí)別，之所以增加這個(gè)端口，是因?yàn)椴煌瑥S家不同型號(hào)的電池往往需要不同的電池參數(shù)(老化曲線等參數(shù))，當(dāng)為ID時(shí)，R3一般是固定電阻的阻值，MCU的ADC會(huì)檢測(cè)ID的電壓，從而使用不同的電池參數(shù)。

圖1-3 保護(hù)板電路

保護(hù)板的工作過(guò)程

1、激活保護(hù)板的方法

當(dāng)保護(hù)板P+和P-沒(méi)有輸出處于保護(hù)狀態(tài)，可以短路B+、B-來(lái)激活保護(hù)板，這時(shí)Dout和Cout會(huì)處于低電平(保護(hù)IC這兩個(gè)端口是高電平保護(hù)，低電平常態(tài))狀態(tài)從而打開(kāi)這兩個(gè)開(kāi)關(guān)。

2、充電

P+和P-分別接充電器的正極和負(fù)極，充電電流經(jīng)過(guò)兩個(gè)MOS對(duì)電池進(jìn)行充電，這個(gè)時(shí)候保護(hù)IC的VDD和VSS既是電源端，也是電芯電壓檢測(cè)端(經(jīng)過(guò)R1)，隨著充電過(guò)程的進(jìn)行，電芯的電壓不斷增加，當(dāng)升高到電芯的保護(hù)電壓(過(guò)充保護(hù)電壓)，這個(gè)時(shí)候COUT將輸出高電平把對(duì)應(yīng)的MOS開(kāi)關(guān)關(guān)斷，充電回路也會(huì)被關(guān)斷，過(guò)充保護(hù)后，電芯電壓會(huì)下降，當(dāng)下降到IC電壓門(mén)限(過(guò)充保護(hù)恢復(fù)電壓)，Cout恢復(fù)到低電平狀態(tài)打開(kāi)MOS管。

3、放電

同樣的，在電池放電時(shí)，IC的VDD和VSS也會(huì)對(duì)電芯電壓進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)電芯電壓下降到IC門(mén)限時(shí)(過(guò)放保護(hù)電壓)，Dout隨機(jī)輸出高電平將對(duì)應(yīng)的MOS管關(guān)斷，放電回路被斷開(kāi)，過(guò)放保護(hù)后，電芯電壓會(huì)上升，當(dāng)上升到門(mén)限電壓(過(guò)放保護(hù)恢復(fù)電壓)，Dout恢復(fù)低電平打開(kāi)MOS開(kāi)關(guān)。

4、過(guò)流、短路

當(dāng)放電過(guò)程中主回路電流過(guò)大時(shí)，由于MOS飽和導(dǎo)通也存在內(nèi)阻，所以電流在流經(jīng)B-和P-之間時(shí)MOS管兩端會(huì)產(chǎn)生壓降，保護(hù)IC的V-和VSS(經(jīng)過(guò)R2)會(huì)隨時(shí)檢測(cè)出兩端的電壓，當(dāng)電壓上升到保護(hù)IC的檢測(cè)門(mén)限(一般為0.15V，放電檢測(cè)過(guò)流電壓)，Dout馬上輸出高電平將對(duì)應(yīng)的MOS管關(guān)斷，放電回路被斷開(kāi)。

在上述問(wèn)題中，有的同學(xué)可能會(huì)提出疑問(wèn)，如果選用導(dǎo)通內(nèi)阻低的MOS或者放電過(guò)流檢測(cè)電壓高的保護(hù)IC，是不是可以獲得大的輸出電流，答案是肯定的，但是切勿忘記考慮選用的MOS功率和電芯的容量(通常手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備的工作頻率較高，為了降低整個(gè)系統(tǒng)的紋波，MOS管導(dǎo)通電阻的選用一定要盡量小)。

5、NTC端口的作用

當(dāng)電池工作時(shí)，沒(méi)有發(fā)生過(guò)沖、過(guò)流和過(guò)放等問(wèn)題，而由于工作時(shí)間太長(zhǎng)，導(dǎo)致電芯溫度上升，而NTC緊貼電芯監(jiān)測(cè)電池溫度，隨著溫度上升，NTC的阻值逐漸下降，當(dāng)阻值下降到設(shè)定值時(shí)，CPU發(fā)出關(guān)機(jī)指令，停止對(duì)電池的充電，從而保護(hù)電池。

原文標(biāo)題：鋰電池保護(hù)板電路原理

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審核編輯：湯梓紅