電池平衡電路工作原理
鋰電池保護板根據(jù)使用電池保護IC,電壓等不同參數(shù)有所不同,保護板有兩個核心部件:一塊保護IC,它是由精確的比較高來獲得可靠的保護參數(shù);另外是MOSFET串在主充放電回路中擔當高速開關(guān),執(zhí)行保護動作。下面以DW01配雙NMOS管8205A進行講解。
鋰電池平衡電路保護裝置的電路原理如上圖所示,總體來講主要是由電池保護控制ICDW01和外接放電開關(guān)M1以及充電開關(guān)M2來實現(xiàn)??刂艻C負責監(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,當P+/P-端連接充電器,給電池正常充電時,M1,M2均處于導(dǎo)通狀態(tài);當控制IC檢測到充電異常時,將M2關(guān)斷終止充電。當P+/P-端連接負載,電池正常放電時,M1,M2均導(dǎo)通;當控制IC檢測到放電異常時,將M1關(guān)斷終止放電。
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。
電池平衡電路工作原理分析如下:
1)正常狀態(tài)
在正常狀態(tài)下電路中DW01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uA級。
2)過充電保護
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,當電池電壓被充電至超過4.3V時,電池的化學副反應(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,當控制IC(DWO1)檢測到電池電壓達到4.3V(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)榱汶妷海筂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M2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4.05V至發(fā)出關(guān)斷M2信號之間時過充釋放,M2轉(zhuǎn)為打開,開始充電。
3、過放電保護
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,當控制IC檢測到電池電壓低于2.5V(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?,使M1由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷,從而切斷了放電回路,使電池無法再對負載進行放電,起到過放電保護作用。而此時由于M1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0.1uA。
4、過電流保護
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“CS”腳對該電壓值進行檢測,若負載因某種原因?qū)е庐惓?,使回路電流增大,當回路電流大到使U>0.15V(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)榱汶妷海筂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。
在上述控制過程中可知,其過電流檢測值大小不僅取決于控制IC的控制值,還取決于MOSFET的導(dǎo)通阻抗,當MOSFET導(dǎo)通阻抗越大時,對同樣的控制IC,其過電流保護值越小。
5、短路保護
電池在對負載放電過程中,若回路電流大到使U>1V(該值由控制IC決定,不同的IC有不同的值)時,控制IC則判斷為負載短路,其“DO”腳將迅速由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷?,使M1由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷,從而切斷放電回路,起到短路保護作用。短路保護的延時時間極短,通常小于7微秒。其工作原理與過電流保護類似
DW01的CS腳為電流檢測腳,輸出短路時,充放電控制MOSFET的導(dǎo)通壓降劇增,CS腳電壓迅速升高,DW01輸出信號使充放電控制MO SFET迅速關(guān)斷,從而實現(xiàn)過電流或短路保護。
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