鋰充電電池保護電路工作原理與測試方法

由於鋰電池具有小型, 重量輕, 輸出電壓高(4.2V), 放電電壓穩定和儲存時間長等優點因此在手機, PDA, 藍芽耳機, 數位相機等便攜式電子產品中獲得了廣泛的應用!!為了確保使用的安全性, 鋰電池在應用中必須有相應的電池管理電路來防止電池的過充電, 過放電和過電流.

上圖為典型的應用電路由兩個MOSFET和一個控制IC外加一些阻容元件構成的電池保護電路!
控制IC負責監視電池電壓, 並控制兩個MOSFET的柵極, MOSFET在電路中起開關作用, 分別控制著充電迴路與放電迴路的導通和斷開. 該電路具有過充電保護, 過放電保護, 過電流保護與短路保護等功能.
一. 正常工作狀態
在正常充, 放電時, 電路中控制IC的CO與DO腳位高準位, V1 and V2 MOSFET都導通. 充電電流從Input+流入, 向電池充電經V1 , V2後由Input-流出. 正常放電時, 電流經Input-及V2, V1, 流向電池負極, 其電流方向與充電電流方向相反. 由於V1, V2的導通電阻Rds極小, 此狀態下的消耗電流為uA因此損耗很小.
二. 過充電保護
電池在被充電初期為恆流充電, 隨著充電時間的延長, 電池電壓亦會上升, 在此過程中當IC檢測到電池電壓達到過充電檢測電壓(該數值由控制IC決定)時, 則CO腳由高電壓轉為低電壓, 使控制充電的MOSFET柵極為斷開狀態, 即V2由導通轉為斷開進而切開充電迴路, 使充電器無法對電池進行充電達到保護作用. 過充電檢測對應於脈沖充電及由於噪聲而產生的誤動作, 需要設定延遲時間, 延遲時間由C2決定, 一般設為1秒左右.
三. 過放電保護
過放電保護是在電池電壓變低時停止對負載放電. 當電池對負載放電時, 其電壓亦隨放電過程而逐漸降低, 當電池電壓降至過放檢測電壓以下時, 其容量已經完全放光, 如果電池繼續放電, 則會造成電池永久性損壞. 所以當控制IC檢測到電池電壓低於過放點檢測電壓時, 其DO腳由高電壓轉為低電壓, 使V1由導通轉為斷開進而切斷放電迴路, 則電池無法繼續放電起到保護作用. 由於在過放檢測電壓以下時電池電壓不能再降低, 因此必須要求控制IC消耗電流極小.
四. 過電流保護及短路保護
過電流保護是在消耗大電流時停止對負載的放電, 此功能的目的在於保護電池及MOSFET, 確保電池在工作狀態下的安全性. 在正常放電過程時, 電流經過兩個MOSFET因為導通阻抗會在其兩端產生壓降, 此電壓值V=I*[R1ds+R2ds], 其中把導通的V1, V2看作電阻, 即R1ds, R2ds此時若負載因某種原因導致異常使迴路電流增大, 當電流猛增使得電壓亦增加到控制IC決定的電壓值時, 控制IC的DO腳迅速由高電壓轉為低電壓使V1斷開進而切斷放電迴路, 迴路電流變為零. 需要設定延遲時間一般為13毫秒左右.
當電壓增加到控制IC決定的電壓值時(此時IC判斷為負載短路), V1會由導通轉為斷開, 其工作原理與過流保護類似. 短路保護的延遲時間一般小於7微秒.

而在生產的量產線上如何去測試這些保護的動作??以下用Keithley 2306雙通道電池/充電器模擬的快速電源供應器來做一簡單的介紹:
2306主要特性與優點:
1. 負載電流變化時有非常快的反應速率
2. 可選擇單一或雙通道的電源供應器
3. 針對以電池驅動之裝置的測試或開發最佳化
4. 可改變輸出電阻模擬電池反應
5. 脈衝電流最大值，平均值量測
6. 100nA 直流電流靈敏度
7. 掃描電流量測功能
8. 高達3A Sink能力
9. 測試線開路偵測
10. 內建數位電壓錶
且2306有兩個port可以1 port 模擬charge輸入端另一port模擬Battery端另有內建數位電壓錶可以去量測輸出的電壓!