如何用欠压保护(UVP)电路保护可充电电池？

许多种类的可充电电池可能因深度放电而损坏。本设计实例中的电路提供的欠压保护功能(UVP)可防止这种情况的发生，并可用作负载开关。这种电路几乎不用任何修改就可以适用于电压从4.5V至19V的几乎所有类型电池。电路的待机电流小于1μA。

 

与P沟道器件相比，高侧N沟道MOSFET Q2可以降低成本。导通和关断天生是软开关，因此可以避免开关时的尖峰。

 

图1：这个电路是为20℃条件下采用凝胶电解液的12V铅蓄电池设计的。其它类型的蓄电池可能要求修改元件值。

 

工作原理

 

电池/蓄电池第一次连接到+Acc，电路是关断状态。C3放电，因此可编程参考二极管TL431A(D1)将关断，漏电流小于1μA。电路中的所有其他单元都处于非激活状态，Q2关断，因为它的栅极会经R5放电。

 

在此状态下，电路等待On输入端的激活正向脉冲——通过一个按钮或其他控制器提供。在此脉冲期间，TL431A导通，为配置为振荡器的TLC555提供电源。该振荡器通过C2和D3在Q2的栅极电容上产生自举电压，使Q2导通。

 

在On信号消除后，电路仍维持激活状态，因为来自分压器R1-R2的电压会给C3充电，从而维持从D1到Q2再回到D1的环路。

 

当/Off输入端信号变低，或达到欠压启动点时，电路断开负载，并将自己关断。

 

启动点的表达式为：

 

Vt = (1 + R1/R2) Vref (Vref就是TL431的2.5V参考电压)

 

因此 R1/R2 = Vt/ Vref - 1

 

为了使Iref (最大值4μA)的影响可以忽略不计，要使流经分压器的电流至少100倍于Iref：

 

R1 + R2 ≤ 30kΩ

 

因此对于10.8V的启动点电压来说，计算得到：

 

R2 = 30kΩ / (Vt / Vref) = 6.94 kΩ

 

R1 = 30kΩ - R2 = 23.06 kΩ

 

TL431A的参考电压Vref公差是1%，因此R1和R2的公差应该要好于这个指标，以尽量避免降低启动点精度，或者也可以增加一个微调点。

 

作为一个有益的经验，电流Iref应该小于绝对最大额定值10mA的一半。因此：

 

R6 ≥ VOn/ 5mA

 

R6的上限定义为：

 

Vref = (R1 || R2) Vt / (R6 + (R1 || R2))

 

R6 ≤ (R1 || R2) (Vt / Vref - 1)

 

因此, R6 ≤ 17.8kΩ

 

如果你选择的R6值接近这个极限，你就能在蓄电池耗尽时禁止任何开启负载的企图。/Off输入端的优选级比On要高。

 

开关Q2之后是电池电压监测电路，因此低的RDS(on)是电路正确工作的关键。

 

当具有大的负载电流时，应该尽可能减少开关次数，以减少功耗。为了在导通期间给Q2的栅极电容Cg快速充电，振荡器频率应该要高一点(本例中大约是900kHz)。为了快速关断，R5的值不能太高：这个关断时间取决于R5 × Cg。

 

当电路处于非激活状态时，Q1可以防止Q2的栅极通过D2和D3连接到+Acc。具有中等增益(30-150)的任何PNP晶体管(比如2N2904)都可以使用。具有较高增益的晶体管(如BC556-BC560)可能要求减小R4的值，以便在电路关断状态下确保Q1也是关断的。不过Q1应该被流经555的电流可靠导通；在接近上限频率的条件下工作并使用小阻值的R3可确保R4上有足够的压降。

 

低功耗齐纳二极管D4应该根据Q2的VGS(max)作出选择。

 

Q2主要参数的选择与系统有关。因为Cg用作滤波电容，因此也需要多加注意。2nF到10nF范围的取值应该足够了；更大的电容可能要求增加C2的值。根据经验，C2的取值范围是从Cg到2Cg。C2的值对导通时间也有影响。

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