保护板原理及测试技术1;.1锂离子电池特性由于锂离子电池的化学特性，在正常使用过程中，其内部进行电能与化学能相互转化的化学正反应，但在某些条件下，如对其过充电、过放电和过电流将会导致电池内部发生化学副反应，该副反应加剧后会严重影响电池的性能与使用寿命，并可能产生大量气体，使电池内部压力迅速增大后爆炸而导致安全问题，因此所有的锂离子电池都需要一个保护电路，用于对电池的充、放电状态进行有效监测，并在某些条件下关断充、放电回路以防止对电池发生损害。22保护板的功能目前锂电池发展至今种类很多，主要以电芯的串并联方式来设计保护板的功能，保护板常见的功能有：过充电保护、过放电保护、短路/过流保护、温度保护、充电电流/电压控制等功能。为了更好的发挥二次锂离子电芯的优势，保护板的功能变得非常重要。33保护板的主要元件主要元件主要元件主要功能主要功能IC命令的发出者，当IC检测到过充、过放、过流、短路时会发出命令，让MOS关闭，从而切断整个回路MOS命令的执行者，当他接收到IC的命令时，会立刻断开回路。其材料为半导体材料，因电位的改变其内部结构发生变化。FUSE保险丝，与家用的保险丝工作原理相同，当电流过大时，会牺牲自己，保护整个回路。缺点：不可恢复。PTC一种高分子导体材料，当电流、温度过大时，其自身的电阻剧增，使得回路阻塞；当电流、温度恢复时，其阻值会下降，恢复正常工作状态。缺点：内阻大。温控开关温控开关原理同PTC，目的在于检测某个元器件的温度，当温度过高时，会切断回路，起到保护元器件的作用。运算管理电路运算管理电路主要控制电池的充放电电流，可以实现优化的充电方式，延长电池的使用寿命，一般多用在多节电池组。44保护板的工作原理单节保护板电气原理图：54-1过充电保护锂离子电池要求的充电方式为恒流/恒压，在充电初期，为恒流充电，随着充电过程，电压会上升到4.2V（根据正极材料不同，有的电池要求恒压值为4.1V ）,转为恒压充电，直至电流越来越小。电池在被充电过程中，如果充电器电路失去控制，会使电池电压超过4.2V后继续恒流充电，此时电池电压仍会继续上升，当电池电压被充电至超过4.3V时，电池的化学副反应将加剧，会导致电池损坏或出现安全问题。在带有保护电路的电池中，当控制IC检测到电池电压达到4.28V（该值由控制IC决定，不同的IC有不同的值）时，其“CO”脚将由高电压转变为零电压，使V2由导通转为关断，从而切断了充电回路，使充电器无法再对电池进行充电，起到过充电保护作用。在控制IC检测到电池电压超过4.28V至发出关断V2信号之间，还有一段延时时间，该延时时间的长短由C3决定，通常设为1秒左右，以避免因干扰而造成误判断。64-2过放电保护电池在对外部负载放电过程中，其电压会随着放电过程逐渐降低，当电池电压降至2.5V时，其容量已被完全放光，此时如果让电池继续对负载放电，将造成电池的永久性损坏。在电池放电过程中，当控制IC检测到电池电压低于2.3V（该值由控制IC决定，不同的IC有不同的值）时，其“DO”脚将由高电压转变为零电压，使V1由导通转为关断，从而切断了放电回路，使电池无法再对负载进行放电，起到过放电保护作用。在控制IC检测到电池电压低于2.3V至发出关断V1信号之间，也有一段延时时间，该延时时间的长短由C3决定，通常设为100毫秒左右，以避免因干扰而造成误判断。74-3过电流保护由于锂离子电池的化学特性，电池生产厂家规定了其放电电流最大不能超过2C（C=电池容量/小时），当电池超过2C电流放电时，将会导致电池的永久性损坏或出现安全问题。电池在对负载正常放电过程中，放电电流在经过串联的2个MOSFET时，由于MOSFET的导通阻抗，会在其两端产生一个电压，该电压值U=I*RDS*2, RDS为单个MOSFET导通阻抗，控制IC上的“V-”脚对该电压值进行检测，若负载因某种原因导致异常，使回路电流增大，当回路电流大到使U0.1V（该值由控制IC决定，不同的IC有不同的值）时，其“DO”脚将由高电压转变为零电压，使V1由导通转为关断，从而切断了放电回路，使回路中电流为零，起到过电流保护作用。在控制IC检测到过电流发生至发出关断V1信号之间，也有一段延时时间，该延时时间的长短由C3决定，通常为13毫秒左右，以避免因干扰而造成误判断。在上述控制过程中可知，其过电流检测值大小不仅取决于控制IC的控制值，还取决于MOSFET的导通阻抗，当MOSFET导通阻抗越大时，对同样的控制IC，其过电流保护值越小。84-4短路保护电池在对负载放电过程中，若回路电流大到使U0.9V（该值由控制IC决定，不同的IC有不同的值）时，控制IC则判断为负载短路，其“DO”脚将迅速由高电压转变为零电压，使V1由导通转为关断，从而切断放电回路，起到短路保护作用。短路保护的延时时间极短，通常小于7微秒。其工作原理与过电流保护类似，只是判断方法不同，保护延时时间也不一样。94-5其他保护功能FUSE：当保护板的IC、MOS由于静电或是其他因素而失效，FUSE则起到了至关重要的作用，在电池短路或者是过流情况下，FUSE挺身而出，靠熔断自己来切断整个回路，彻底进行保护，但由于进行得太彻底，无法进行自恢复，从而报废了整个电池，只有重新更换新的保护板。另外，如果设计失误，很可能造成FUSE比IC提前动作，过早的切断回路。优点：内阻、体积小缺点：无法自恢复；熔断时间控制难PTC：PTC的主要特性就是可以自恢复，当回路电流过大、温度过高，其阻值剧增，甚至绝缘。当这些异常因素撤销的时候，自身会自动恢复，将阻值减小，恢复到正常工作状态。优点：可自行恢复，减少返修缺点：内阻、体积大温度保护：原理同PTC105保护板的检测保护板是电池的核心组成部分，故对保护板的检测要求是非常严格的，随着电芯的数量、保护板的功能的不同，检测的项目也不同。具体检测方法参见单节锂电池保护板检测标准D.TC.S.0002及两串保护板检测通用方法。在检测保护板之前，应了解该板的技术规格、要求以及配套电芯方可进行测试，避免操作失误带来的错误判定。116保护板的常见异常现象1、短路时MOS冒烟2、短路后无法带起负载3、ESD测试后无法带起负载、功能异常12小结随着科技的发展，手机的体积越做越小，而随着这种趋势，对锂离子电池的保护电路体积的要求也越来越小，在这两年已出现了将控制IC和MOSFET整合成一颗保护IC的产品，如DIALOG公司的DA7112系列，有的厂家甚至将整个保护电路封装成一颗小尺寸的IC，如MITSUMI公司的产品。而且针对环保方面的要求也越来越高，如2006年7月1日起施行的ROSH指令，还有对电池的可修复、安全性方面的要求也逐渐提高，可见锂离子电池的发展趋势具有非常大的潜力。13