3.7v锂电池保护板原理图之保护电路工作原理分析2021-03-26 08:50
单节锂电池的正常输出电压约为3.7V，可直接作为手机、MP3/MP4及部分小屏幕的平板电脑的电源。对于需要较高电压的电器而言，如移动DVD/EVD或大屏幕平板电脑，这时可用多节锂电池串联得到所需电压，如一款需11.1V供电的平板电脑，则配用电池组件为三块串联的锂电池。单节锂电池与多节串联锂电池的保护电路有所不同，下面分别举例分析。
1．单节锂电池保护电路
单节锂电池充放电保护电路的具体组成方案较多，但工作原理相差不大，下面以在手机中用得较多的一种电路为例进行分析，供参考。
该电路的控制芯片为DW01（或312F） ， MOS开关管为8205A，如图6所示，B＋、B-分别是接电芯的正、负极；P＋、P -分别是保护板输出的正、负极； T为温度电阻（NTC）端口，一般需要与用电器的CPU配合才能进行保护控制。
DWO1或312F是一款锂电池保护芯片，内置有高精确度的电压检测与时间延迟电路，主要参数如下：过充检测电压为3V，过充释放电压为4.05V；过放检测电压为2.5V，过放释放电压为3.0V ；过流检测电压为5V，短路电流检测电压为1.0V；DW01允许电池输出的最大电流是3.3A。该芯片的引脚功能见表1。
（1）正常工作
该保护板的电路如图7所示，当电芯电压在2.5V～4.3V之间时，DW01的①、③脚均输出高电平（等于供电电压），②脚电压为0V。此时8205A内的两只N沟道场效应管Q1、Q2均处于导通状态，由于8205A的导通电阻很小，相当于D、S极间直通，此时电芯的负极与保护电路的P-端相当于直接连通，保护电路有电压输出，其电流回路如下：B＋→P＋→负载。P-→8205A的②、③脚→8205A的①脚→8205A的⑧脚→8205A的⑥、⑦脚→B-。
【提示】在此电路中，8205A内部场效应管Q1、Q2可等效为两只开关，当Q1或Q2的G极电压大于1V时，开关管导通，D、S间内阻很小（数十毫欧姆），相当于开关闭合；当G极电压小于0.7V时，开关管截止，D、S极间的导通内阻很大（几兆欧姆），相当于开关断开。
（2）过放电保护
当电芯通过外接的负载进行放电时，电芯两端的电压将慢慢降低，同时DW01内部将通过电阻R1实时监测电芯电压，当电芯电压下降到2.3V（通常称为过放保护电压）时，DWO1认为电芯已处于过放电状态，其①脚电压变为0， 8205A内Q1截止，此时电芯的B-与-之间处于断开状态，即电芯的放电回路被切断，电芯将停止放电。
进入过放电保护状态后，电芯电压会上升，若能上升到IC的门限电压（一般为3.1V，通常称为过放保护恢复电压），DW0的①脚恢复输出高电平，8205A内的Q1再次导通。
（3）电池充电
无论保护电路是否进入过放电状态，只要给保护电路的P＋与P-端间加上充电电压，DW0经B一端检测到充电电压后，便立即从③脚输出高电平，8205A内的Q2导通，即电芯的B-保护电路的P-通，充电器对电芯充电，其电流回路如下：充电器正极→p＋→B＋→B-、8205A的⑥、⑦脚→8205A的⑧脚→8205A的①脚→8205A的②、③脚→P-→充电器负极。
（4）过充电保护
充电时，当电池通过充电器正常充电时，随着充电时间的增加，电芯两端的电压将逐渐升高，当电芯电压升高到4.4V（通常称为过充保护电压）时，DW01将判断电芯已处于过充电状态，便立即使③脚电压降为0V， 8205A内的Q2因④脚为低电平而截止，此时电芯的B一极与保护电路的P-端之间处于断开状态并保持，即电芯的充电回路被切断，停止充电。
当保护电路的P＋与P-端接上放电负载后，虽然Q2截止，但其内部的二极管正方向与放电回路的电流方向相同，所以仍可对负载放电。当电芯两端电压低于4.3V（通常称为过充保护恢复电压）时，DW01将退出过充电保护状态，③脚重新输出高电平，Q2导通，即电芯的B-端与保护电路P-端又重新接上，电芯又能进行正常的充放电。
（5）过流保护
由于MOs开关管饱和导通时也存在内阻，所以有电流流过时MOs开关管的D、S极间就会产生压降，保护控制IC会实时检测MOs开关管D、S极的电压，当电压升到IC保护门限值（一般为0.15V，称为放电过流检测电压）时，其放电保护执行端马上输出低电平，放电控制MOs开关管关断，放电回路被断开。
在图7中，DW01通过接在V-端和VSS端之间的电阻R2实时检测MOs开关管上的压降。当负载电流增大时，Q1或Q2上的压降也必然增大，当该压降达到0.2V时，DWO1便判断负载电流到达了极限值，于是其①脚电压降为0V， 8205A内部的放电控制管Q1关闭，切断电芯的放电回路。实现过电流保护。
（6）过温保护
保护板上的T端口为过温保护端，与用电器的CPU相连。常见的过温保护电路较简单，就是在T端与P-端接一只NTC电阻（见图7中的R4），该电阻紧贴电芯安装。当用电器长时间处于大功率工作状态时（如手机长时间处于通话状态），电芯温度会上升，则NTC阻值会逐渐下降，用电器的CPU对NTC阻值进行检测，当阻值下降到CPU设定阈值时，CPU立即发出关机指令，让电池停止对其供电，只维持很小的待机电流，从而达到保护电池的目的。
【提示】当保护板处于保护状态时，可以短接B-、P-端来激活保护板，这时控制芯片的充、放电保护执行端（OC、OD）均会输出高电平，让MOs开关管导通。
2．多节电池保护电路
锂电池充放电控制芯片UCC3957可对3或4节锂电池组提供过充电、过放电及过流等保护，具体而言：该芯片对电池组内的每一节电池电压进行采样，并与内部的精密基准电压进行比较，当任意一节电池处于过压或欠压状态时，芯片就会进行相应的控制，以防止进一步充电或放电，其典型应用电路如图8所示。图中，Q1、Q2为P沟道MOSFET管，分别控制充电和放电电流。
（1）电池组的连接
电池组与IC连接要注意顺序。电池组的底端连接到UCC3957（U1）的AN4端，顶端连接到VDD端，每两节电池的连接点按相应顺序连接到AN1～AN3端。
当电池组为3节电池时，U1的②脚（CLCNT端）与16脚（DVDD端）相连，同时将⑥脚（AN3端）与⑦脚（AN4端）相连；当电池组为4节电池时，②脚接地（即连到AN4端）。
（2）放电
U1具有智能放电功能。放电时，U1的13脚输出低电平，放电开关Q2导通，锂电池组经Q2及Q1内的二极管向负载供电。当负载所需电流较大时，通过电流检测电阻RS两端的压降也较大，当超过15mV（对应0.6A的放电电流）时，则U1的③脚输出低电平，充电开关管Q1导通，从而提高电池组的放电能力。
（3）欠压保护
当检测到任一节电池处于过放电时（低于欠压阈值），U1的③脚、13脚输出高电平，同时关断Q1，Q2、U1进入休眠状态，此时芯片的工作电流仅为3.5μA。只有当③脚电压升到VDD时，芯片检测到后才会退出休眠状态。
（4）充电
当接入充电器时，开关S1闭合，U1的⑨脚（CHGEN端）与16脚（DVDD）相通，U1的③脚输出低电平，充电开关管Q1导通，电池组充电。
在充电期间，如果U1处于休眠状态，则放电开关管Q2仍然关断，充电电流经Q2内的二极管对电池组充电。当每节电池的电压均高于欠压ON值时，Q2导通。
（5）过流保护
为了适应大的电容负载，UCC3957设有两个过流阈值电压，每一个阈值电压又可以设定不同的延迟时间，即采用二级过流保护模式。这种二级过流保护既可对短路提供快速的响应，又可使电池组承受一定的浪涌电流，以防止因滤波电容容量较大而引起不必要的过流保护动作。
电流检测电阻RS接在U1的⑦脚（AN4）与⑧脚（BATLO）之间。当RS两端的压降超过某一阈值时，过流保护进入间歇模式。在这一模式下，放电开关管Q2周期性地关断与导通，直到故障排除。一旦故障排除，芯片自动恢复到常规工作状态。
第一级过流保护阈值为0.15V（对应的输出电流为6A），且持续时间超过U1设定的时间（由U1的⑩脚（CDLY1）和地之间的电容C4设定），则U1进入间歇工作模式，其输出脉冲的占空比约为6%，即开关管的关断时间大约是导通时间的16倍。
第二级过流阈值为0.375V（对应的输出电流为15A），且持续时间超过U1设定的时间（由U1的14脚（CDLY2）和地之间的电容C3设定），则U1进入间歇工作模式，其输出脉冲的占空比小于1%，即开关管的关断时间大约是导通时间的100倍。
（6）过压保护
如果某一节电池的充电电压超过充电阂值，则U1的③脚输出高电平，充电开关管Q1关断，进入过压保护状态。
另外，如果电池组与U1的④～⑥脚（AN 1 -AN3）的连线断路，则U1也将进入过压保护状态。
锂电3.7v保护板改装电路图
现在国内锂电池，3.7v良莠不齐，在放电电压在2.8v左右基本是极限了，如果到2.5v，好的电池还能充几次。一般的电池，基本报废。我买的保护板，有两种芯片（DW01、8205A），DW01取样芯片，8205A功率驱动芯片。DW01取样：过放电压在2.35v~2.5v，过冲4.0v~4.19v。要是买了这两个芯片的保护板，国内的锂电池3.7v基本报废，无报废的也充不了几次电。
解决办法：
①头尾并联1N5822（ 肖特基二极管），1N5822正向电压0.52v，加上2.35v等于2.87v。
②1N5822串联到B+或B-极上。
③然后将3.7v电池串联在B或+B-上，这时保护板就算在2.35v但实际电池电压在2.87v。有效保护过放。
说明：电池不能焊在保护板上，如果焊接，电池在充电会有0.52v损失，最好方法就是不焊接，用标准3.7V充电器充电，这样既能电池充满，在使用时又不会过放。
发一张保护板改装电路图
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1．单节锂电池保护电路
单节锂电池充放电保护电路的具体组成方案较多，但工作原理相差不大，下面以在手机中用得较多的一种电路为例进行分析，供参考。
该电路的控制芯片为DW01（或312F） ， MOS开关管为8205A，如图6所示，B＋、B-分别是接电芯的正、负极；P＋、P -分别是保护板输出的正、负极； T为温度电阻（NTC）端口，一般需要与用电器的CPU配合才能进行保护控制。
DWO1或312F是一款锂电池保护芯片，内置有高精确度的电压检测与时间延迟电路，主要参数如下：过充检测电压为3V，过充释放电压为4.05V；过放检测电压为2.5V，过放释放电压为3.0V ；过流检测电压为5V，短路电流检测电压为1.0V；DW01允许电池输出的最大电流是3.3A。该芯片的引脚功能见表1。
（1）正常工作
该保护板的电路如图7所示，当电芯电压在2.5V～4.3V之间时，DW01的①、③脚均输出高电平（等于供电电压），②脚电压为0V。此时8205A内的两只N沟道场效应管Q1、Q2均处于导通状态，由于8205A的导通电阻很小，相当于D、S极间直通，此时电芯的负极与保护电路的P-端相当于直接连通，保护电路有电压输出，其电流回路如下：B＋→P＋→负载。P-→8205A的②、③脚→8205A的①脚→8205A的⑧脚→8205A的⑥、⑦脚→B-。
【提示】在此电路中，8205A内部场效应管Q1、Q2可等效为两只开关，当Q1或Q2的G极电压大于1V时，开关管导通，D、S间内阻很小（数十毫欧姆），相当于开关闭合；当G极电压小于0.7V时，开关管截止，D、S极间的导通内阻很大（几兆欧姆），相当于开关断开。
（2）过放电保护
当电芯通过外接的负载进行放电时，电芯两端的电压将慢慢降低，同时DW01内部将通过电阻R1实时监测电芯电压，当电芯电压下降到2.3V（通常称为过放保护电压）时，DWO1认为电芯已处于过放电状态，其①脚电压变为0， 8205A内Q1截止，此时电芯的B-与-之间处于断开状态，即电芯的放电回路被切断，电芯将停止放电。
进入过放电保护状态后，电芯电压会上升，若能上升到IC的门限电压（一般为3.1V，通常称为过放保护恢复电压），DW0的①脚恢复输出高电平，8205A内的Q1再次导通。
（3）电池充电
无论保护电路是否进入过放电状态，只要给保护电路的P＋与P-端间加上充电电压，DW0经B一端检测到充电电压后，便立即从③脚输出高电平，8205A内的Q2导通，即电芯的B-保护电路的P-通，充电器对电芯充电，其电流回路如下：充电器正极→p＋→B＋→B-、8205A的⑥、⑦脚→8205A的⑧脚→8205A的①脚→8205A的②、③脚→P-→充电器负极。
（4）过充电保护
充电时，当电池通过充电器正常充电时，随着充电时间的增加，电芯两端的电压将逐渐升高，当电芯电压升高到4.4V（通常称为过充保护电压）时，DW01将判断电芯已处于过充电状态，便立即使③脚电压降为0V， 8205A内的Q2因④脚为低电平而截止，此时电芯的B一极与保护电路的P-端之间处于断开状态并保持，即电芯的充电回路被切断，停止充电。
当保护电路的P＋与P-端接上放电负载后，虽然Q2截止，但其内部的二极管正方向与放电回路的电流方向相同，所以仍可对负载放电。当电芯两端电压低于4.3V（通常称为过充保护恢复电压）时，DW01将退出过充电保护状态，③脚重新输出高电平，Q2导通，即电芯的B-端与保护电路P-端又重新接上，电芯又能进行正常的充放电。
（5）过流保护
由于MOs开关管饱和导通时也存在内阻，所以有电流流过时MOs开关管的D、S极间就会产生压降，保护控制IC会实时检测MOs开关管D、S极的电压，当电压升到IC保护门限值（一般为0.15V，称为放电过流检测电压）时，其放电保护执行端马上输出低电平，放电控制MOs开关管关断，放电回路被断开。
在图7中，DW01通过接在V-端和VSS端之间的电阻R2实时检测MOs开关管上的压降。当负载电流增大时，Q1或Q2上的压降也必然增大，当该压降达到0.2V时，DWO1便判断负载电流到达了极限值，于是其①脚电压降为0V， 8205A内部的放电控制管Q1关闭，切断电芯的放电回路。实现过电流保护。
（6）过温保护
保护板上的T端口为过温保护端，与用电器的CPU相连。常见的过温保护电路较简单，就是在T端与P-端接一只NTC电阻（见图7中的R4），该电阻紧贴电芯安装。当用电器长时间处于大功率工作状态时（如手机长时间处于通话状态），电芯温度会上升，则NTC阻值会逐渐下降，用电器的CPU对NTC阻值进行检测，当阻值下降到CPU设定阈值时，CPU立即发出关机指令，让电池停止对其供电，只维持很小的待机电流，从而达到保护电池的目的。
【提示】当保护板处于保护状态时，可以短接B-、P-端来激活保护板，这时控制芯片的充、放电保护执行端（OC、OD）均会输出高电平，让MOs开关管导通。
2．多节电池保护电路
锂电池充放电控制芯片UCC3957可对3或4节锂电池组提供过充电、过放电及过流等保护，具体而言：该芯片对电池组内的每一节电池电压进行采样，并与内部的精密基准电压进行比较，当任意一节电池处于过压或欠压状态时，芯片就会进行相应的控制，以防止进一步充电或放电，其典型应用电路如图8所示。图中，Q1、Q2为P沟道MOSFET管，分别控制充电和放电电流。
（1）电池组的连接
电池组与IC连接要注意顺序。电池组的底端连接到UCC3957（U1）的AN4端，顶端连接到VDD端，每两节电池的连接点按相应顺序连接到AN1～AN3端。
当电池组为3节电池时，U1的②脚（CLCNT端）与16脚（DVDD端）相连，同时将⑥脚（AN3端）与⑦脚（AN4端）相连；当电池组为4节电池时，②脚接地（即连到AN4端）。
（2）放电
U1具有智能放电功能。放电时，U1的13脚输出低电平，放电开关Q2导通，锂电池组经Q2及Q1内的二极管向负载供电。当负载所需电流较大时，通过电流检测电阻RS两端的压降也较大，当超过15mV（对应0.6A的放电电流）时，则U1的③脚输出低电平，充电开关管Q1导通，从而提高电池组的放电能力。
（3）欠压保护
当检测到任一节电池处于过放电时（低于欠压阈值），U1的③脚、13脚输出高电平，同时关断Q1，Q2、U1进入休眠状态，此时芯片的工作电流仅为3.5μA。只有当③脚电压升到VDD时，芯片检测到后才会退出休眠状态。
（4）充电
当接入充电器时，开关S1闭合，U1的⑨脚（CHGEN端）与16脚（DVDD）相通，U1的③脚输出低电平，充电开关管Q1导通，电池组充电。
在充电期间，如果U1处于休眠状态，则放电开关管Q2仍然关断，充电电流经Q2内的二极管对电池组充电。当每节电池的电压均高于欠压ON值时，Q2导通。
（5）过流保护
为了适应大的电容负载，UCC3957设有两个过流阈值电压，每一个阈值电压又可以设定不同的延迟时间，即采用二级过流保护模式。这种二级过流保护既可对短路提供快速的响应，又可使电池组承受一定的浪涌电流，以防止因滤波电容容量较大而引起不必要的过流保护动作。
电流检测电阻RS接在U1的⑦脚（AN4）与⑧脚（BATLO）之间。当RS两端的压降超过某一阈值时，过流保护进入间歇模式。在这一模式下，放电开关管Q2周期性地关断与导通，直到故障排除。一旦故障排除，芯片自动恢复到常规工作状态。
第一级过流保护阈值为0.15V（对应的输出电流为6A），且持续时间超过U1设定的时间（由U1的⑩脚（CDLY1）和地之间的电容C4设定），则U1进入间歇工作模式，其输出脉冲的占空比约为6%，即开关管的关断时间大约是导通时间的16倍。
第二级过流阈值为0.375V（对应的输出电流为15A），且持续时间超过U1设定的时间（由U1的14脚（CDLY2）和地之间的电容C3设定），则U1进入间歇工作模式，其输出脉冲的占空比小于1%，即开关管的关断时间大约是导通时间的100倍。
（6）过压保护
如果某一节电池的充电电压超过充电阂值，则U1的③脚输出高电平，充电开关管Q1关断，进入过压保护状态。
另外，如果电池组与U1的④～⑥脚（AN 1 -AN3）的连线断路，则U1也将进入过压保护状态。
锂电3.7v保护板改装电路图
现在国内锂电池，3.7v良莠不齐，在放电电压在2.8v左右基本是极限了，如果到2.5v，好的电池还能充几次。一般的电池，基本报废。我买的保护板，有两种芯片（DW01、8205A），DW01取样芯片，8205A功率驱动芯片。DW01取样：过放电压在2.35v~2.5v，过冲4.0v~4.19v。要是买了这两个芯片的保护板，国内的锂电池3.7v基本报废，无报废的也充不了几次电。
解决办法：
①头尾并联1N5822（ 肖特基二极管），1N5822正向电压0.52v，加上2.35v等于2.87v。
②1N5822串联到B+或B-极上。
③然后将3.7v电池串联在B或+B-上，这时保护板就算在2.35v但实际电池电压在2.87v。有效保护过放。
说明：电池不能焊在保护板上，如果焊接，电池在充电会有0.52v损失，最好方法就是不焊接，用标准3.7V充电器充电，这样既能电池充满，在使用时又不会过放。
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