隨著科技進步與社會發(fā)展，象手機、筆記本電腦、MP3播放器、PDA、掌上游戲機、數(shù)碼攝像機等便攜式設(shè)備已越來越普及，這類產(chǎn)品中有許多是采用鋰離子電池供電，而由于鋰離子電池的特性與其它可充電電池不同，內(nèi)部通常都帶有一塊電路板，不少人對該電路的作用不了解，本文將對鋰離子電池的特點及其保護電路工作原理進行闡述。 

 

鋰電池分為一次電池和二次電池兩類，目前在部分耗電量較低的便攜式電子產(chǎn)品中主要使用不可充電的一次鋰電池，而在筆記本電腦、手機、PDA、數(shù)碼相機等耗電量較大的電子產(chǎn)品中則使用可充電的二次電池，即鋰離子電池。 

 

與鎳鎘和鎳氫電池相比，鋰離子電池具備以下幾個優(yōu)點： 

 

電壓高，單節(jié)鋰離子電池的電壓可達到3.6V，遠高于鎳鎘和鎳氫電池的1.2V 電壓。 

 

容量密度大，其容量密度是鎳氫電池或鎳鎘電池的1.5-2.5 倍。 

 

荷電保持能力強（即自放電小），在放置很長時間后其容量損失也很小。 

 

壽命長，正常使用其循環(huán)壽命可達到500 次以上。 

 

沒有記憶效應(yīng)，在充電前不必將剩余電量放空，使用方便。 

 

由于鋰離子電池的化學(xué)特性，在正常使用過程中，其內(nèi)部進行電能與化學(xué)能相互轉(zhuǎn)化的化學(xué)正反應(yīng)，但在某些條件下，如對其過充電、過放電和過電流將會導(dǎo)致電池內(nèi)部發(fā)生化學(xué)副反應(yīng),該副反應(yīng)加劇后，會嚴重影響電池的性能與使用壽命，并可能產(chǎn)生大量氣體，使電池內(nèi)部壓力迅速增大后爆炸而導(dǎo)致安全問題，因此所有的鋰離子電池都需要一個保護電路，用于對電池的充、放電狀態(tài)進行有效監(jiān)測，并在某些條件下關(guān)斷充、放電回路以防止對電池發(fā)生損害。 

 

下頁中的電路圖為一個典型的鋰離子電池保護電路原理圖。 

如圖中所示，該保護回路由兩個MOSFET（V1、V2）和一個控制IC（N1）外加一些阻容元件構(gòu)成。控制IC負責(zé)監(jiān)測電池電壓與回路電流，并控制兩個MOSFET的柵極，MOSFET在電路中起開關(guān)作用，分別控制著充電回路與放電回路的導(dǎo)通與關(guān)斷，C3為延時電容，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功能，其工作原理分析如下： 

 

 

在正常狀態(tài)下電路中N1 的“CO”與“DO”腳都輸出高電壓，兩個MOSFET 都處于導(dǎo)通狀態(tài)，電池可以自由地進行充電和放電，由于MOSFET 的導(dǎo)通阻抗很小，通常小于30 毫歐，因此其導(dǎo)通電阻對電路的性能影響很小。

 

此狀態(tài)下保護電路的消耗電流為μA 級，通常小于7 μA。 

 

 

鋰離子電池要求的充電方式為恒流/ 恒壓，在充電初期，為恒流充電，隨著充電過程，電壓會上升到4.2V(根據(jù)正極材料不同，有的電池要求恒壓值為4.1V)，轉(zhuǎn)為恒壓充電，直至電流越來越小。 

 

電池在被充電過程中，如果充電器電路失去控制，會使電池電壓超過4.2V后繼續(xù)恒流充電，此時電池電壓仍會繼續(xù)上升，當(dāng)電池電壓被充電至超過4.3V 時，電池的化學(xué)副反應(yīng)將加劇，會導(dǎo)致電池損壞或出現(xiàn)安全問題。 

 

在帶有保護電路的電池中，當(dāng)控制IC檢測到電池電壓達到4.28V（該值由控制IC決定，不同的IC 有不同的值）時，其“CO”腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷海筕2 由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷了充電回路，使充電器無法再對電池進行充電，起到過充電保護作用。而此時由于V2 自帶的體二極管VD2 的存在，電池可以通過該二極管對外部負載進行放電。 

 

在控制IC檢測到電池電壓超過4.28V至發(fā)出關(guān)斷V2信號之間，還有一段延時時間，該延時時間的長短由C3 決定，通常設(shè)為1 秒左右，以避免因干擾而造成誤判斷。 

 

 

電池在對外部負載放電過程中，其電壓會隨著放電過程逐漸降低，當(dāng)電池電壓降至2.5V時，其容量已被完全放光，此時如果讓電池繼續(xù)對負載放電，將造成電池的永久性損壞。 

 

在電池放電過程中，當(dāng)控制IC檢測到電池電壓低于2.3V（該值由控制IC決定，不同的IC 有不同的值）時，其“DO”腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷海筕1 由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷了放電回路，使電池?zé)o法再對負載進行放電，起到過放電保護作用。而此時由于V1 自帶的體二極管VD1 的存在，充電器可以通過該二極管對電池進行充電。 

 

由于在過放電保護狀態(tài)下電池電壓不能再降低，因此要求保護電路的消耗電流極小，此時控制IC 會進入低功耗狀態(tài)，整個保護電路耗電會小于0.1 μA。 

 

在控制IC檢測到電池電壓低于2.3V至發(fā)出關(guān)斷V1信號之間，也有一段延時時間，該延時時間的長短由C3 決定，通常設(shè)為100 毫秒左右，以避免因干擾而造成誤判斷。 

 

 

由于鋰離子電池的化學(xué)特性，電池生產(chǎn)廠家規(guī)定了其放電電流最大不能超過2C（C= 電池容量/ 小時），當(dāng)電池超過2C 電流放電時，將會導(dǎo)致電池的永久性損壞或出現(xiàn)安全問題。

 

電池在對負載正常放電過程中，放電電流在經(jīng)過串聯(lián)的2個MOSFET時，由于MOSFET的導(dǎo)通阻抗，會在其兩端產(chǎn)生一個電壓，該電壓值U=I*RDS*2, RDS為單個MOSFET導(dǎo)通阻抗，控制IC上的“V-”腳對該電壓值進行檢測，若負載因某種原因?qū)е庐惓＃够芈冯娏髟龃螅?dāng)回路電流大到使U>0.1V（該值由控制IC 決定，不同的IC 有不同的值）時，其“DO”腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷海筕1 由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷了放電回路，使回路中電流為零，起到過電流保護作用。 

 

在控制IC檢測到過電流發(fā)生至發(fā)出關(guān)斷V1信號之間，也有一段延時時間，該延時時間的長短由C3 決定，通常為13 毫秒左右，以避免因干擾而造成誤判斷。