鋰在元素周期表上位于第3位，因外層電子數(shù)為1個(gè)，容易失去從而形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，故鋰是一種非?；顫姷慕饘佟Ｓ射囋刂瞥傻匿囯x子電池，具有放電電流大、內(nèi)阻低、壽命長、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已被廣泛使用。但鋰離子電池在使用中嚴(yán)禁過充電、過放電和短路，否則將會(huì)引起電池壽命縮短或起火、爆炸等事故，因此可充型鋰電池都會(huì)連接一塊充放電保護(hù)電路板（常簡稱保護(hù)板）來保護(hù)電芯的安全，如圖1所示。

鋰電池的保護(hù)功能通常由保護(hù)電路板和PTC協(xié)同完成，保護(hù)板由電子元件組成，在－40℃～＋85℃的環(huán)境下時(shí)刻準(zhǔn)確地監(jiān)視電芯的電壓和充放電回路的電流，并及時(shí)控制電流回路的通斷；PTC的主要作用是在高溫環(huán)境下進(jìn)行保護(hù)，防止電池發(fā)生燃燒、爆炸等惡性事故。

［提示］PTC是英文Positivetemperature coefficient的縮寫，意即正溫度系數(shù)電阻（溫度越高，阻值越大）。該元件可起過流保護(hù)作用，即防止電池高溫放電和不安全的大電流充放電。PTC器件采用高分子材料聚合物，通過嚴(yán)格的工藝制成，由聚合物樹醋基體及分布在里面的導(dǎo)電粒子組成。在正常情況下，導(dǎo)電粒子在樹醋中構(gòu)成導(dǎo)電通路，器件表現(xiàn)為低阻抗；當(dāng)電路中有過流現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，流經(jīng)PTC的大電流產(chǎn)生的熱量使聚合物樹醋基體體積膨脹，因而切斷導(dǎo)電粒子間的連接，從而對電路起到過流保護(hù)作用。當(dāng)故障解啥后，該元件可自動(dòng)恢復(fù)到初始狀態(tài)，保證電路正常工作。

一、鋰電池的充放電要求

1.鋰電池的充電

單節(jié)鋰電池的最高充電終止電壓為4.2V，不能過充，否則會(huì)因正極的鋰離子丟失太多而使電池報(bào)廢。對鋰電池充電時(shí)，應(yīng)采用專用的恒流、恒壓充電器，先恒流充電至鋰電池兩端電壓為4.2V后，轉(zhuǎn)入恒壓充電模式；當(dāng)恒壓充電電流降至100mA時(shí)，應(yīng)停止充電。

充電電流（mA）可為0.1～1.5倍電池容量，例如：1350mAh的鋰電池，其充電電流可控制在135mA～2025mA之間。常規(guī)充電電流可選擇在0.5倍電池容量左右，充電時(shí)間約為2～3小時(shí)。

2. 鋰電池的放電

由于鋰電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原因，放電時(shí)鋰離子不能全部移向正極，必須保留一部分鋰離子在負(fù)極，以保證在下次充電時(shí)鋰離子能夠暢通地嵌入通道。否則，電池壽命會(huì)縮短。為了保證石墨層中放電后留有部分鋰離子，就要嚴(yán)格限制放電終止最低電壓，也就是說鋰電池不能過放電。單節(jié)鋰電池的放電終止電壓通常為3.0V，最低不能低于2.5V。電池放電時(shí)間長短與電池容量、放電電流大小有關(guān)。電池放電時(shí)間（小時(shí)）＝電池容量／放電電流，且鋰電池放電電流（mA）不應(yīng)超過電池容量的3倍，例如：1000mAh的鋰電池，則放電電流應(yīng)嚴(yán)格控制在3A以內(nèi)，否則會(huì)使電池?fù)p壞。

二、保護(hù)電路的組成

保護(hù)電路通常由控制IC、MOs開關(guān)管、熔斷保險(xiǎn)絲、電阻、電容等元件組成，如圖2所示。正常的情況下，控制IC輸出信號(hào)控制MOs開關(guān)管導(dǎo)通，使電芯與外電路導(dǎo)通，當(dāng)電芯電壓或回路電流超過規(guī)定值時(shí)，它立即控制MOS管關(guān)斷，以保護(hù)電芯的安全。

控制IC內(nèi)置高精度電壓檢測電路和多級(jí)電流檢測電路。其中，電壓檢測電路一是對充電電壓進(jìn)行檢測，一旦達(dá)到其設(shè)定閾值（通常為3.9V～4.4V），立即進(jìn)入過充電保護(hù)狀態(tài)；二是對放電電壓進(jìn)行檢測，一旦達(dá)到其設(shè)定閾值（通常為2.0V～3.0V ），立即進(jìn)入過放電保護(hù)狀態(tài)。

在該電路中，MOS開關(guān)管多采用薄型TSSOP -8或SOT23 -6封裝形式，其外形如圖3所示。這些MOS開關(guān)管有的內(nèi)含一只N溝道場效應(yīng)管，如FDMC7680，其①～③腳為S極，④腳為G極，⑤～⑧腳為D極，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示；有的內(nèi)含兩只N溝道場效應(yīng)管，如FDW9926A、8205A等，其引腳功能與封裝形式有關(guān)，如圖5所示。

【提示】若控制IC與MOs開關(guān)管上有小圓形凹點(diǎn)，則該凹點(diǎn)所對管腳為①腳；若表面沒有凹點(diǎn)，則元件型號(hào)標(biāo)注左側(cè)的第一個(gè)管腳為①腳，其余引腳按逆時(shí)針方向排列。另外，在換用MOS開關(guān)管時(shí)，需根據(jù)實(shí)際線路走向判斷其內(nèi)部電路，從而進(jìn)行正確的代換。

另外，部分鋰電池保護(hù)電路中還安裝有NTC和ID信號(hào)形成元件。NTC是英文Negativetemperature coefficient的縮寫，意即負(fù)溫度系數(shù)電阻。該元件在此電路中主要起過熱保護(hù)作用，即當(dāng)電池自身或其周邊環(huán)境溫度升高時(shí)，NTC元件阻值降低，使用電設(shè)備或充電設(shè)備及時(shí)作出反應(yīng)，若溫度超過一定值時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，停止充放電。ID是Identification的縮寫，即身份識(shí)別的意思，其信息識(shí)別的元件分為兩種：一是存儲(chǔ)器，常為獸線接口存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)電池種類、生產(chǎn)日期等信息；二是識(shí)別電阻，這兩者均可起到產(chǎn)品的可追溯和應(yīng)用的限制。

三、保護(hù)電路工作原理分析

單節(jié)鋰電池的正常輸出電壓約為3.7V，可直接作為手機(jī)、MP3/MP4及部分小屏幕的平板電腦的電源。對于需要較高電壓的電器而言，如移動(dòng)DVD/EVD或大屏幕平板電腦，這時(shí)可用多節(jié)鋰電池串聯(lián)得到所需電壓，如一款需11.1V供電的平板電腦，則配用電池組件為三塊串聯(lián)的鋰電池。單節(jié)鋰電池與多節(jié)串聯(lián)鋰電池的保護(hù)電路有所不同，下面分別舉例分析。

1．單節(jié)鋰電池保護(hù)電路

單節(jié)鋰電池充放電保護(hù)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(jī)中用得較多的一種電路為例進(jìn)行分析，供參考。

該電路的控制芯片為DW01（或312F） ， MOS開關(guān)管為8205A，如圖6所示，B＋、B-分別是接電芯的正、負(fù)極；P＋、P -分別是保護(hù)板輸出的正、負(fù)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(jìn)行保護(hù)控制。

DWO1或312F是一款鋰電池保護(hù)芯片，內(nèi)置有高精確度的電壓檢測與時(shí)間延遲電路，主要參數(shù)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(hù)板的電路如圖7所示，當(dāng)電芯電壓在2.5V～4.3V之間時(shí)，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(shí)8205A內(nèi)的兩只N溝道場效應(yīng)管Q1、Q2均處于導(dǎo)通狀態(tài)，由于8205A的導(dǎo)通電阻很小，相當(dāng)于D、S極間直通，此時(shí)電芯的負(fù)極與保護(hù)電路的P-端相當(dāng)于直接連通，保護(hù)電路有電壓輸出，其電流回路如下：B＋→P＋→負(fù)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(nèi)部場效應(yīng)管Q1、Q2可等效為兩只開關(guān)，當(dāng)Q1或Q2的G極電壓大于1V時(shí)，開關(guān)管導(dǎo)通，D、S間內(nèi)阻很小（數(shù)十毫歐姆），相當(dāng)于開關(guān)閉合；當(dāng)G極電壓小于0.7V時(shí)，開關(guān)管截止，D、S極間的導(dǎo)通內(nèi)阻很大（幾兆歐姆），相當(dāng)于開關(guān)斷開。

【提示】在此電路中，8205A內(nèi)部場效應(yīng)管Q1、Q2可等效為兩只開關(guān)，當(dāng)Q1或Q2的G極電壓大于1V時(shí)，開關(guān)管導(dǎo)通，D、S間內(nèi)阻很?。〝?shù)十毫歐姆），相當(dāng)于開關(guān)閉合；當(dāng)G極電壓小于0.7V時(shí)，開關(guān)管截止，D、S極間的導(dǎo)通內(nèi)阻很大（幾兆歐姆），相當(dāng)于開關(guān)斷開。

（2）過放電保護(hù)

當(dāng)電芯通過外接的負(fù)載進(jìn)行放電時(shí)，電芯兩端的電壓將慢慢降低，同時(shí)DW01內(nèi)部將通過電阻R1實(shí)時(shí)監(jiān)測電芯電壓，當(dāng)電芯電壓下降到2.3V（通常稱為過放保護(hù)電壓）時(shí)，DWO1認(rèn)為電芯已處于過放電狀態(tài)，其①腳電壓變?yōu)?， 8205A內(nèi)Q1截止，此時(shí)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(jìn)入過放電保護(hù)狀態(tài)后，電芯電壓會(huì)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(hù)恢復(fù)電壓），DW0的①腳恢復(fù)輸出高電平，8205A內(nèi)的Q1再次導(dǎo)通。

（3）電池充電

無論保護(hù)電路是否進(jìn)入過放電狀態(tài)，只要給保護(hù)電路的P＋與P-端間加上充電電壓，DW0經(jīng)B一端檢測到充電電壓后，便立即從③腳輸出高電平，8205A內(nèi)的Q2導(dǎo)通，即電芯的B-保護(hù)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(fù)極。

（4）過充電保護(hù)

充電時(shí)，當(dāng)電池通過充電器正常充電時(shí)，隨著充電時(shí)間的增加，電芯兩端的電壓將逐漸升高，當(dāng)電芯電壓升高到4.4V（通常稱為過充保護(hù)電壓）時(shí)，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(nèi)的Q2因④腳為低電平而截止，此時(shí)電芯的B一極與保護(hù)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(dāng)保護(hù)電路的P＋與P-端接上放電負(fù)載后，雖然Q2截止，但其內(nèi)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(fù)載放電。當(dāng)電芯兩端電壓低于4.3V（通常稱為過充保護(hù)恢復(fù)電壓）時(shí)，DW01將退出過充電保護(hù)狀態(tài)，③腳重新輸出高電平，Q2導(dǎo)通，即電芯的B-端與保護(hù)電路P-端又重新接上，電芯又能進(jìn)行正常的充放電。

（5）過流保護(hù)

由于MOs開關(guān)管飽和導(dǎo)通時(shí)也存在內(nèi)阻，所以有電流流過時(shí)MOs開關(guān)管的D、S極間就會(huì)產(chǎn)生壓降，保護(hù)控制IC會(huì)實(shí)時(shí)檢測MOs開關(guān)管D、S極的電壓，當(dāng)電壓升到IC保護(hù)門限值（一般為0.15V，稱為放電過流檢測電壓）時(shí)，其放電保護(hù)執(zhí)行端馬上輸出低電平，放電控制MOs開關(guān)管關(guān)斷，放電回路被斷開。

在圖7中，DW01通過接在V-端和VSS端之間的電阻R2實(shí)時(shí)檢測MOs開關(guān)管上的壓降。當(dāng)負(fù)載電流增大時(shí)，Q1或Q2上的壓降也必然增大，當(dāng)該壓降達(dá)到0.2V時(shí)，DWO1便判斷負(fù)載電流到達(dá)了極限值，于是其①腳電壓降為0V， 8205A內(nèi)部的放電控制管Q1關(guān)閉，切斷電芯的放電回路。實(shí)現(xiàn)過電流保護(hù)。

（6）過溫保護(hù)

保護(hù)板上的T端口為過溫保護(hù)端，與用電器的CPU相連。常見的過溫保護(hù)電路較簡單，就是在T端與P-端接一只NTC電阻（見圖7中的R4），該電阻緊貼電芯安裝。當(dāng)用電器長時(shí)間處于大功率工作狀態(tài)時(shí)（如手機(jī)長時(shí)間處于通話狀態(tài)），電芯溫度會(huì)上升，則NTC阻值會(huì)逐漸下降，用電器的CPU對NTC阻值進(jìn)行檢測，當(dāng)阻值下降到CPU設(shè)定閾值時(shí)，CPU立即發(fā)出關(guān)機(jī)指令，讓電池停止對其供電，只維持很小的待機(jī)電流，從而達(dá)到保護(hù)電池的目的。

【提示】當(dāng)保護(hù)板處于保護(hù)狀態(tài)時(shí)，可以短接B-、P-端來激活保護(hù)板，這時(shí)控制芯片的充、放電保護(hù)執(zhí)行端（OC、OD）均會(huì)輸出高電平，讓MOs開關(guān)管導(dǎo)通。

2．多節(jié)姐電池保護(hù)電路

鋰電池充放電控制芯片UCC3957可對3或4節(jié)鋰電池組提供過充電、過放電及過流等保護(hù)，具體而言：該芯片對電池組內(nèi)的每一節(jié)電池電壓進(jìn)行采樣，并與內(nèi)部的精密基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，當(dāng)任意一節(jié)電池處于過壓或欠壓狀態(tài)時(shí)，芯片就會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的控制，以防止進(jìn)一步充電或放電，其典型應(yīng)用電路如圖8所示。圖中，Q1、Q2為P溝道MOSFET管，分別控制充電和放電電流。

（1）電池組的連接

電池組與IC連接要注意順序。電池組的底端連接到UCC3957（U1）的AN4端，頂端連接到VDD端，每兩節(jié)電池的連接點(diǎn)按相應(yīng)順序連接到AN1～AN3端。

當(dāng)電池組為3節(jié)電池時(shí)，U1的②腳（CLCNT端）與16腳（DVDD端）相連，同時(shí)將⑥腳（AN3端）與⑦腳（AN4端）相連；當(dāng)電池組為4節(jié)電池時(shí)，②腳接地（即連到AN4端）。

（2）放電

U1具有智能放電功能。放電時(shí)，U1的13腳輸出低電平，放電開關(guān)Q2導(dǎo)通，鋰電池組經(jīng)Q2及Q1內(nèi)的二極管向負(fù)載供電。當(dāng)負(fù)載所需電流較大時(shí)，通過電流檢測電阻RS兩端的壓降也較大，當(dāng)超過15mV（對應(yīng)0.6A的放電電流）時(shí)，則U1的③腳輸出低電平，充電開關(guān)管Q1導(dǎo)通，從而提高電池組的放電能力。

（3）欠壓保護(hù)

當(dāng)檢測到任一節(jié)電池處于過放電時(shí)（低于欠壓閾值），U1的③腳、13腳輸出高電平，同時(shí)關(guān)斷Q1，Q2、U1進(jìn)入休眠狀態(tài)，此時(shí)芯片的工作電流僅為3.5μA。只有當(dāng)③腳電壓升到VDD時(shí)，芯片檢測到后才會(huì)退出休眠狀態(tài)。

（4）充電

當(dāng)接入充電器時(shí)，開關(guān)S1閉合，U1的⑨腳（CHGEN端）與16腳（DVDD）相通，U1的③腳輸出低電平，充電開關(guān)管Q1導(dǎo)通，電池組充電。

在充電期間，如果U1處于休眠狀態(tài)，則放電開關(guān)管Q2仍然關(guān)斷，充電電流經(jīng)Q2內(nèi)的二極管對電池組充電。當(dāng)每節(jié)電池的電壓均高于欠壓ON值時(shí)，Q2導(dǎo)通。

（5）過流保護(hù)

為了適應(yīng)大的電容負(fù)載，UCC3957設(shè)有兩個(gè)過流閾值電壓，每一個(gè)閾值電壓又可以設(shè)定不同的延遲時(shí)間，即采用二級(jí)過流保護(hù)模式。這種二級(jí)過流保護(hù)既可對短路提供快速的響應(yīng)，又可使電池組承受一定的浪涌電流，以防止因?yàn)V波電容容量較大而引起不必要的過流保護(hù)動(dòng)作。

電流檢測電阻RS接在U1的⑦腳（AN4）與⑧腳（BATLO）之間。當(dāng)RS兩端的壓降超過某一閾值時(shí)，過流保護(hù)進(jìn)入間歇模式。在這一模式下，放電開關(guān)管Q2周期性地關(guān)斷與導(dǎo)通，直到故障排除。一旦故障排除，芯片自動(dòng)恢復(fù)到常規(guī)工作狀態(tài)。

第一級(jí)過流保護(hù)閾值為0.15V（對應(yīng)的輸出電流為6A），且持續(xù)時(shí)間超過U1設(shè)定的時(shí)間（由U1的⑩腳（CDLY1）和地之間的電容C4設(shè)定），則U1進(jìn)入間歇工作模式，其輸出脈沖的占空比約為6%，即開關(guān)管的關(guān)斷時(shí)間大約是導(dǎo)通時(shí)間的16倍。

第二級(jí)過流閾值為0.375V（對應(yīng)的輸出電流為15A），且持續(xù)時(shí)間超過U1設(shè)定的時(shí)間（由U1的14腳（CDLY2）和地之間的電容C3設(shè)定），則U1進(jìn)入間歇工作模式，其輸出脈沖的占空比小于1%，即開關(guān)管的關(guān)斷時(shí)間大約是導(dǎo)通時(shí)間的100倍。

（6）過壓保護(hù)

如果某一節(jié)電池的充電電壓超過充電閡值，則U1的③腳輸出高電平，充電開關(guān)管Q1關(guān)斷，進(jìn)入過壓保護(hù)狀態(tài)。

另外，如果電池組與U1的④～⑥腳（AN 1 -AN3）的連線斷路，則U1也將進(jìn)入過壓保護(hù)狀態(tài)。