單節(jié)鋰電池保護電路和3.7v鋰電池保護板原理介紹2021-07-22 08:07
單節(jié)鋰電池充放電保護電路的具體組成方案較多，但工作原理相差不大，下面以在手機中用得較多的一種電路為例進行分析，供參考。
該電路的控制芯片為DW01（或312F），MOS開關管為8205A，如圖6所示，B＋、B-分別是接電芯的正、負極；P＋、P-分別是保護板輸出的正、負極；T為溫度電阻（NTC）端口，一般需要與用電器的CPU配合才能進行保護控制。
DWO1或312F是一款鋰電池保護芯片，內置有高精確度的電壓檢測與時間延遲電路，主要參數如下：過充檢測電壓為3V，過充釋放電壓為4.05V；過放檢測電壓為2.5V，過放釋放電壓為3.0V；過流檢測電壓為5V，短路電流檢測電壓為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表1。
（1）正常工作
該保護板的電路如圖7所示，當電芯電壓在2.5V～4.3V之間時，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8205A內的兩只N溝道場效應管Q1、Q2均處于導通狀態(tài)，由于8205A的導通電阻很小，相當于D、S極間直通，此時電芯的負極與保護電路的P-端相當于直接連通，保護電路有電壓輸出，其電流回路如下：B＋→P＋→負載。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內部場效應管Q1、Q2可等效為兩只開關，當Q1或Q2的G極電壓大于1V時，開關管導通，D、S間內阻很?。〝凳翚W姆），相當于開關閉合；當G極電壓小于0.7V時，開關管截止，D、S極間的導通內阻很大（幾兆歐姆），相當于開關斷開。
（2）過放電保護
當電芯通過外接的負載進行放電時，電芯兩端的電壓將慢慢降低，同時DW01內部將通過電阻R1實時監(jiān)測電芯電壓，當電芯電壓下降到2.3V（通常稱為過放保護電壓）時，DWO1認為電芯已處于過放電狀態(tài)，其①腳電壓變?yōu)?，8205A內Q1截止，此時電芯的B-與-之間處于斷開狀態(tài)，即電芯的放電回路被切斷，電芯將停止放電。
進入過放電保護狀態(tài)后，電芯電壓會上升，若能上升到IC的門限電壓（一般為3.1V，通常稱為過放保護恢復電壓），DW0的①腳恢復輸出高電平，8205A內的Q1再次導通。
（3）電池充電
無論保護電路是否進入過放電狀態(tài)，只要給保護電路的P＋與P-端間加上充電電壓，DW0經B一端檢測到充電電壓后，便立即從③腳輸出高電平，8205A內的Q2導通，即電芯的B-保護電路的P-通，充電器對電芯充電，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-→充電器負極。
（4）過充電保護
充電時，當電池通過充電器正常充電時，隨著充電時間的增加，電芯兩端的電壓將逐漸升高，當電芯電壓升高到4.4V（通常稱為過充保護電壓）時，DW01將判斷電芯已處于過充電狀態(tài)，便立即使③腳電壓降為0V，8205A內的Q2因④腳為低電平而截止，此時電芯的B一極與保護電路的P-端之間處于斷開狀態(tài)并保持，即電芯的充電回路被切斷，停止充電。
當保護電路的P＋與P-端接上放電負載后，雖然Q2截止，但其內部的二極管正方向與放電回路的電流方向相同，所以仍可對負載放電。當電芯兩端電壓低于4.3V（通常稱為過充保護恢復電壓）時，DW01將退出過充電保護狀態(tài)，③腳重新輸出高電平，Q2導通，即電芯的B-端與保護電路P-端又重新接上，電芯又能進行正常的充放電。
（5）過流保護
由于MOs開關管飽和導通時也存在內阻，所以有電流流過時MOs開關管的D、S極間就會產生壓降，保護控制IC會實時檢測MOs開關管D、S極的電壓，當電壓升到IC保護門限值（一般為0.15V，稱為放電過流檢測電壓）時，其放電保護執(zhí)行端馬上輸出低電平，放電控制MOs開關管關斷，放電回路被斷開。
DW01通過接在V-端和VSS端之間的電阻R2實時檢測MOs開關管上的壓降。當負載電流增大時，Q1或Q2上的壓降也必然增大，當該壓降達到0.2V時，DWO1便判斷負載電流到達了極限值，于是其①腳電壓降為0V，8205A內部的放電控制管Q1關閉，切斷電芯的放電回路。實現(xiàn)過電流保護。
（6）過溫保護
保護板上的T端口為過溫保護端，與用電器的CPU相連。常見的過溫保護電路較簡單，就是在T端與P-端接一只NTC電阻，該電阻緊貼電芯安裝。當用電器長時間處于大功率工作狀態(tài)時（如手機長時間處于通話狀態(tài)），電芯溫度會上升，則NTC阻值會逐漸下降，用電器的CPU對NTC阻值進行檢測，當阻值下降到CPU設定閾值時，CPU立即發(fā)出關機指令，讓電池停止對其供電，只維持很小的待機電流，從而達到保護電池的目的。
【提示】當保護板處于保護狀態(tài)時，可以短接B-、P-端來激活保護板，這時控制芯片的充、放電保護執(zhí)行端（OC、OD）均會輸出高電平，讓MOs開關管導通。
該電路的控制芯片為DW01（或312F），MOS開關管為8205A，如圖6所示，B＋、B-分別是接電芯的正、負極；P＋、P-分別是保護板輸出的正、負極；T為溫度電阻（NTC）端口，一般需要與用電器的CPU配合才能進行保護控制。
DWO1或312F是一款鋰電池保護芯片，內置有高精確度的電壓檢測與時間延遲電路，主要參數如下：過充檢測電壓為3V，過充釋放電壓為4.05V；過放檢測電壓為2.5V，過放釋放電壓為3.0V；過流檢測電壓為5V，短路電流檢測電壓為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表1。
（1）正常工作
該保護板的電路如圖7所示，當電芯電壓在2.5V～4.3V之間時，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8205A內的兩只N溝道場效應管Q1、Q2均處于導通狀態(tài)，由于8205A的導通電阻很小，相當于D、S極間直通，此時電芯的負極與保護電路的P-端相當于直接連通，保護電路有電壓輸出，其電流回路如下：B＋→P＋→負載。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內部場效應管Q1、Q2可等效為兩只開關，當Q1或Q2的G極電壓大于1V時，開關管導通，D、S間內阻很?。〝凳翚W姆），相當于開關閉合；當G極電壓小于0.7V時，開關管截止，D、S極間的導通內阻很大（幾兆歐姆），相當于開關斷開。
（2）過放電保護
當電芯通過外接的負載進行放電時，電芯兩端的電壓將慢慢降低，同時DW01內部將通過電阻R1實時監(jiān)測電芯電壓，當電芯電壓下降到2.3V（通常稱為過放保護電壓）時，DWO1認為電芯已處于過放電狀態(tài)，其①腳電壓變?yōu)?，8205A內Q1截止，此時電芯的B-與-之間處于斷開狀態(tài)，即電芯的放電回路被切斷，電芯將停止放電。
進入過放電保護狀態(tài)后，電芯電壓會上升，若能上升到IC的門限電壓（一般為3.1V，通常稱為過放保護恢復電壓），DW0的①腳恢復輸出高電平，8205A內的Q1再次導通。
（3）電池充電
無論保護電路是否進入過放電狀態(tài)，只要給保護電路的P＋與P-端間加上充電電壓，DW0經B一端檢測到充電電壓后，便立即從③腳輸出高電平，8205A內的Q2導通，即電芯的B-保護電路的P-通，充電器對電芯充電，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-→充電器負極。
（4）過充電保護
充電時，當電池通過充電器正常充電時，隨著充電時間的增加，電芯兩端的電壓將逐漸升高，當電芯電壓升高到4.4V（通常稱為過充保護電壓）時，DW01將判斷電芯已處于過充電狀態(tài)，便立即使③腳電壓降為0V，8205A內的Q2因④腳為低電平而截止，此時電芯的B一極與保護電路的P-端之間處于斷開狀態(tài)并保持，即電芯的充電回路被切斷，停止充電。
當保護電路的P＋與P-端接上放電負載后，雖然Q2截止，但其內部的二極管正方向與放電回路的電流方向相同，所以仍可對負載放電。當電芯兩端電壓低于4.3V（通常稱為過充保護恢復電壓）時，DW01將退出過充電保護狀態(tài)，③腳重新輸出高電平，Q2導通，即電芯的B-端與保護電路P-端又重新接上，電芯又能進行正常的充放電。
（5）過流保護
由于MOs開關管飽和導通時也存在內阻，所以有電流流過時MOs開關管的D、S極間就會產生壓降，保護控制IC會實時檢測MOs開關管D、S極的電壓，當電壓升到IC保護門限值（一般為0.15V，稱為放電過流檢測電壓）時，其放電保護執(zhí)行端馬上輸出低電平，放電控制MOs開關管關斷，放電回路被斷開。
DW01通過接在V-端和VSS端之間的電阻R2實時檢測MOs開關管上的壓降。當負載電流增大時，Q1或Q2上的壓降也必然增大，當該壓降達到0.2V時，DWO1便判斷負載電流到達了極限值，于是其①腳電壓降為0V，8205A內部的放電控制管Q1關閉，切斷電芯的放電回路。實現(xiàn)過電流保護。
（6）過溫保護
保護板上的T端口為過溫保護端，與用電器的CPU相連。常見的過溫保護電路較簡單，就是在T端與P-端接一只NTC電阻，該電阻緊貼電芯安裝。當用電器長時間處于大功率工作狀態(tài)時（如手機長時間處于通話狀態(tài)），電芯溫度會上升，則NTC阻值會逐漸下降，用電器的CPU對NTC阻值進行檢測，當阻值下降到CPU設定閾值時，CPU立即發(fā)出關機指令，讓電池停止對其供電，只維持很小的待機電流，從而達到保護電池的目的。
【提示】當保護板處于保護狀態(tài)時，可以短接B-、P-端來激活保護板，這時控制芯片的充、放電保護執(zhí)行端（OC、OD）均會輸出高電平，讓MOs開關管導通。
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