锂电池保护板的作用、组成及工作过程

前言：锂元素在元素周期表中处于第三位，外层只有一个电子，是一种非常活泼的金属，而锂离子电池具有放电电流大，内阻低，寿命长，无记忆效应等被人们广泛应用，锂离子电池在使用时严禁出现过充电、过放电、以及短路等问题，否则将会使得电池出现起火或者爆炸等问题。所以在锂电池电路中通常都会增加一个保护板电路来保护锂离子电池的安全。

锂电池保护板的作用

电池保护板通常有如下几个作用：过充、过放、过流、短路以及高温保护。上述的几个作用也是由锂电池本身的材料决定的。电池保护板通常有保护电路板和PTC等器件组成。 保护电路板会时刻监视电芯的电压和充放电的电流，及时控制电流回路的通断。

图1-1 电池构造

电池保护板的组成

保护板通常包括控制IC，MOS开关，电阻、电容、PTC、NTC、ID以及存储器等元器件组成，其中控制IC，在一切正常的情况下控制MOS管开关导通，使得电芯和外电路导通，而当电芯电压或者回路电流超过规定值时，它立即控制MOS开关关断，保护电芯的安全。

电池保护板的保护机制

图1-2 电池保护板电路

下面介绍保护IC的各个PIN的主要功能：

VDD是保护IC的电源正极

VSS是保护IC的电源负极

V-是保护IC的过流、短路检测端

Dout是放电保护端

Cout是充电保护端

B+和B-分别分别接电芯的正极和负极，P+和P-分别是保护板输出的正极和负极，T为温度检测的NTC端口，NTC端口需要和MCU配合对电池进行温度保护。这个端口有时也会标记为ID，用于电池的端口识别，之所以增加这个端口，是因为不同厂家不同型号的电池往往需要不同的电池参数(老化曲线等参数)，当为ID时，R3一般是固定电阻的阻值，MCU的ADC会检测ID的电压，从而使用不同的电池参数。

图1-3 保护板电路

保护板的工作过程

1、激活保护板的方法

当保护板P+和P-没有输出处于保护状态，可以短路B+、B-来激活保护板，这时Dout和Cout会处于低电平(保护IC这两个端口是高电平保护，低电平常态)状态从而打开这两个开关。

2、充电

P+和P-分别接充电器的正极和负极，充电电流经过两个MOS对电池进行充电，这个时候保护IC的VDD和VSS既是电源端，也是电芯电压检测端(经过R1)，随着充电过程的进行，电芯的电压不断增加，当升高到电芯的保护电压(过充保护电压)，这个时候COUT将输出高电平把对应的MOS开关关断，充电回路也会被关断，过充保护后，电芯电压会下降，当下降到IC电压门限(过充保护恢复电压)，Cout恢复到低电平状态打开MOS管。

3、放电

同样的，在电池放电时，IC的VDD和VSS也会对电芯电压进行检测，当电芯电压下降到IC门限时(过放保护电压)，Dout随机输出高电平将对应的MOS管关断，放电回路被断开，过放保护后，电芯电压会上升，当上升到门限电压(过放保护恢复电压)，Dout恢复低电平打开MOS开关。

4、过流、短路

当放电过程中主回路电流过大时，由于MOS饱和导通也存在内阻，所以电流在流经B-和P-之间时MOS管两端会产生压降，保护IC的V-和VSS(经过R2)会随时检测出两端的电压，当电压上升到保护IC的检测门限(一般为0.15V，放电检测过流电压)，Dout马上输出高电平将对应的MOS管关断，放电回路被断开。

在上述问题中，有的同学可能会提出疑问，如果选用导通内阻低的MOS或者放电过流检测电压高的保护IC，是不是可以获得大的输出电流，答案是肯定的，但是切勿忘记考虑选用的MOS功率和电芯的容量(通常手机等移动设备的工作频率较高，为了降低整个系统的纹波，MOS管导通电阻的选用一定要尽量小)。

5、NTC端口的作用

当电池工作时，没有发生过冲、过流和过放等问题，而由于工作时间太长，导致电芯温度上升，而NTC紧贴电芯监测电池温度，随着温度上升，NTC的阻值逐渐下降，当阻值下降到设定值时，CPU发出关机指令，停止对电池的充电，从而保护电池。

原文标题：锂电池保护板电路原理

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审核编辑：汤梓红