锂电池保护电路原理分析，由于 锂电池 的特性与其它可充电 电池 不同，内部通常都带有一块 保护板 ，不少人对该保护板的作用不了解（有些人可能还不知道锂电池里有保护电路），下面将对锂电池的特点及其保护电路工作原理进行阐述。 由于锂电池的化学特性，在 锂电池保护电路原理分析，由于锂电池的特性与其它可充电电池不同，内部通常都带有一块保护板，不少人对该保护板的作用不了解（有些人可能还不知道锂电池里有保护电路），下面将对锂电池的特点及其保护电路工作原理进行阐述。
锂电保护芯片
由于锂电池的化学特性，在正常使用过程中，其内部进行电能与化学能相互转化的化学正反应，但在某些条件下，如对其过充电、过放电和过电流将会导致电池内部发生化学副反应,该副反应加剧后，会严重影响电池的性能与使用寿命，并可能产生大量气体，使电池内部压力迅速增大后爆炸而导致安全问题，因此所有的锂电池都需要一个保护电路，用于对电池的充、放电状态进行有效监测，并在某些条件下关断充、放电回路以防止对电池发生损害。
下图为一个典型的锂电池保护电路原理图。
锂电池保护电路 锂电池保护板
如上图所示，该保护回路由两个MOSFET（V1、V2）和一个控制IC（N1）外加一些阻容元件构成。控制IC负责监测电池电压与回路电流，并控制两个MOSFET的栅极，MOSFET在电路中起开关作用，分别控制着充电回路与放电回路的导通与关断，C3为延时电容，该 电路具有过充电保护、过放电保护、过电流保护与短路保护功能，其工作原理分析如下：
1、正常状态
在正常状态下电路中N1的“CO”与“DO”脚都输出高电压，两个MOSFET都处于导通状态，电池可以自由地进行充电和放电，由于MOSFET的导通阻抗很小，通常小于30毫欧，因此其导通电阻对电路的性能影响很小。
此状态下保护电路的消耗电流为μA级，通常小于7μA。
2、过充电保护
锂离子电池要求的充电方式为恒流/恒压，在充电初期，为恒流充电，随着充电过程，电压会上升到4.2V(根据正极材料不同，有的电池要求恒压值为4.1V)，转为恒压充电，直至电流越来越小。
电池在被充电过程中，如果充电器电路失去控制，会使电池电压超过4.2V后继续恒流充电，此时电池电压仍会继续上升，当电池电压被充电至超过4.3V时，电池的化学副反应将加剧，会导致电池损坏或出现安全问题。
在带有保护电路的电池中，当控制IC检测到电池电压达到4.28V（该值由控制IC决定，不同的IC有不同的值）时，其“CO”脚将由高电压转变为零电压，使V2由导通转为关断，从而切断了充电回路，使充电器无法再对电池进行充电，起到过充电保护作用。而此时由于V2自带的体二极管VD2的存在，电池可以通过该二极管对外部负载进行放电。在控制IC检测到电池电压超过4.28V至发出关断V2信号之间，还有一段延时时间，该延时时间的长短由C3决定，通常设为1秒左右，以避免因干扰而造成误判断。
3、短路保护
电池在对负载放电过程中，若回路电流大到使U>0.9V（该值由控制IC决定，不同的IC有不同的值）时，控制IC则判断为负载短路，其“DO”脚将迅速由高电压转变为零电压，使V1由导通转为关断，从而切断放电回路，起到短路保护作用。短路保护的延时时间极短，通常小于7微秒。其工作原理与过电流保护类似，只是判断方法不同，保护延时时间也不一样。
除了控制IC外，电路中还有一个重要元件，就是MOSFET，它在电路中起着开关的作用，由于它直接串接在电池与外部负载之间，因此它的导通阻抗对电池的性能有影响，当选用的MOSFET较好时，其导通阻抗很小，电池包的内阻就小，带载能力也强，在放电时其消
耗的电能也少。
4、过电流保护
由于锂离子电池的化学特性，电池生产厂家规定了其放电电流最大不能超过2C（C=电池容量/小时），当电池超过2C电流放电时，将会导致电池的永久性损坏或出现安全问题。
电池在对负载正常放电过程中，放电电流在经过串联的2个MOSFET时，由于MOSFET的导通阻抗，会在其两端产生一个电压，该电压值U=I*RDS*2, RDS为单个MOSFET导通阻抗，控制IC上的“V-”脚对该电压值进行检测，若负载因某种原因导致异常，使回路电流增大，当回路电流大到使U>0.1V（该值由控制IC决定，不同的IC有不同的值）时，其“DO”脚将由高电压转变为零电压，使V1由导通转为关断，从而切断了放电回路，使回路中电流为零，起到过电流保护作用。
在控制IC检测到过电流发生至发出关断V1信号之间，也有一段延时时间，该延时时间的长短由C3决定，通常为13毫秒左右，以避免因干扰而造成误判断。
在上述控制过程中可知，其过电流检测值大小不仅取决于控制IC的控制值，还取决于MOS
FET的导通阻抗，当MOSFET导通阻抗越大时，对同样的控制IC，其过电流保护值越小。
5、过放电保护
电池在对外部负载放电过程中，其电压会随着放电过程逐渐降低，当电池电压降至2.5V时，其容量已被完全放光，此时如果让电池继续对负载放电，将造成电池的永久性损坏。
在电池放电过程中，当控制IC检测到电池电压低于2.3V（该值由控制IC决定，不同的IC有不同的值）时，其“DO”脚将由高电压转变为零电压，使V1由导通转为关断，从而切断了放电回路，使电池无法再对负载进行放电，起到过放电保护作用。而此时由于V1自带的体二极管VD1的存在，充电器可以通过该二极管对电池进行充电。
由于在过放电保护状态下电池电压不能再降低，因此要求保护电路的消耗电流极小，此时控制IC会进入低功耗状态，整个保护电路耗电会小于0.1μA。
在控制IC检测到电池电压低于2.3V至发出关断V1信号之间，也有一段延时时间，该延时时间的长短由C3决定，通常设为100毫秒左右，以避免因干扰而造成误判断。
锂电池保护板测试仪设计
由于锂电池的体积密度、能量密度高,并有高达4.2V的单节电池电压,因此在手机、PDA和数码相机等便携式电子产品中获得了广泛的应用。为了确保使用的安全性,锂电池在应用中必须有相应的电池管理电路来防止电池的过充电、过放电和过电流。锂电池保护IC超小的封装和很少的外部器件需求使它在单节锂电池保护电路的设计中被广泛采用。
然而,目前无论是正向（独立开发）还是反向（模仿开发）设计的国产锂电池保护IC由于技术、工艺的原因,实际参数通常都与标准参数有较大差别,在正向设计的IC中尤为突出,因此,测试锂电池保护IC的实际工作参数已经成为必要。目前市场上已经出现了专用的锂电池保护板测试仪,但价格普遍偏高,并且测试时必须先将IC焊接在电路板上。因此,本文中设计了一个简单的测试电路,借助普通的电子仪器就可以完成对锂电池保护IC的测试。
锂电池保护IC的工作原理
单节锂电池保护IC的应用电路很简单,只需外接2个电阻、2个电容和2个MOSFET,其典型应用电路如图1所示。
锂电池保护IC测试电路设计
根据锂电池保护IC的工作原理设计的测试电路如图2所示,图3详细说明了图2中模块B的电路。模块A在测试过流保护时为CS引脚提供电压,模拟图1中的CS引脚所探测到的电压。调整模块中的可变电位器可为CS引脚提供可变电源,控制其中的跳变开关可为CS提供突变电压。模块B为电源,模拟为IC提供工作电压。调整电路中的可变电位器R7可为整个电路提供一个可变电压,在测试过充电保护电压和过放电保护电压时使用。控制模块中的开关S1的
闭合为测试电路提供一个跳变电源,在测试IC的过充、过放和过流延迟时使用。跳线端口P1、P2在测试IC工作电流时使用,在测试其他参数时将开关S2导通即可。测试IC工作电流时,将电流表接在P1、P2上,将开关S2断开。模块C是用2个MOSFET做成的微电流源,在测试OD、OC输出高、低电平时向该引脚吸、灌电流,只要MOSFET选择恰当,可以满足测试需要。模块D是2片MOSFET集成芯片,相当于图1中的M1、M2,其中的两个端口在测试MOSFET漏电流时使用,在测试其他参数时要将这两个端口短接。模块E是一个IC插座,该插座用于放置待测IC,最多可以放置4片IC（测试时只能放一片IC）,测试完以后可以将IC取出,不留任何痕迹,不影响IC的销售和再次测试。
在测试电路的设计中,对电阻的选择要慎重。在模块A、B、C中由于有可变电位器的存在,如果其他电阻选择不适当容易造成电路的烧毁,尤其是模块A和B中的可变电位器的选择对测试各种电压的精度影响很大。本电路中两个可变电位器都是1K/10圈的,精度较高。模块C中的MOSFET的选择要注意其工作电流范围,在测试需要用到的电流只有两个级别,一个是零点几个微安,一个是几十微安,因此一般要求能提供微安级以下的电流。另外,电源的稳定度对整个IC测试参数的影响很大,因此,在测试时尽量使用稳定性好的电源。
本设计的特点
本设计有以下三个特点。
● 在测试IC过充、过放和过流的延迟时利用开关将电阻短路或开路来实现电路电源的突变,并且利用示波器同时抓电源和OC、OD跳变波形图来测量延迟时间。
● 为了实现测试OC、OD高、低电平时向引脚吸、灌电流,本电路用MOSFET做了两个简单的微电流源,选用的MOSFET型号为TN0201T,利用栅级电压控制漏、源级电流,以漏、源级电流为电流源,精度可以达到0.1μA,基本可以满足测试的需要。
● 测试过流保护电压时,即测试使OD引脚从高电平跳变为低电平的CS引脚电压。短流保护电压远高于过流保护电压,当电压达到过流保护电压时电路已经发生跳变,OD输出一直为低电平,因此常规方法无法测试出短流保护电压,于是,本文采用了一种间接的近似测试方法。IC对过电流保护的延迟时间大概为几个到十几个毫秒,而短流延迟时间则大概为十几个微秒,因此可以根据过流延迟时间与短流延迟时间的不同来近似测试短流保护电压。此参数使用专用的锂电池保护板测试仪也无法测出。
本测试电路也存在一些不足。一是对IC测试的精度与电源稳定度、电表精度有关,其中,对各种电压测试的精度还与可变电位器的精度有关;二是短流保护电压测得的是近似值。
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