& & 2.保护板过放电保护控制原理:
& & 当电芯通过外接的进行放电时,电芯的电压将慢慢降低,同时DW01 内部将通过R1实时监测电芯电压,当电芯电压下降到约2.3V时DW01 将认为电芯电压已处于过放电电压状态，便立即断开第1脚的输出电压，使第1脚电压变为0V，8205A内的开关管因第5脚无电压而关闭。此时电芯的B-与保护板的P-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。保护板处于过放电状态并一直保持。等到保护板的P 与P-间接上充电电压后，DW01 经B-检测到充电电压后便立即停止过放电状态，重新在第1脚输出高电压，使8205A内的过放电控制管导通，即电芯的B-与保护板的P-又重新接上，电芯经充电器直接充电。
& & 4.保护板过充电保护控制原理:
& & 当电池通过充电器正常充电时,随着充电时间的增加,电芯的电压将越来越高，当电芯电压升高到4.4V时,DW01 将认为电芯电压已处于过充电电压状态，便立即断开第3脚的输出电压，使第3脚电压变为0V，8205A内的开关管因第4脚无电压而关闭。此时电芯的B-与保护板的P-之间处于断开状态。即电芯的充电回路被切断，电芯将停止充电。保护板处于过充电状态并一直保持。等到保护板的P 与P-间接上放电负载后，因此时虽然过充电控制开关管关闭,但其内部的正方向与放电回路的方向相同,故放电回路可以进行放电,当电芯的电压被放到低于4.3V时,DW01 停止过充电保护状态重新在第3脚输出高电压，使8205A内的过充电控制管导通，即电芯的B-与保护板P-又重新接上，电芯又能进行正常的充放电.
& & 5.保护板短路保护控制原理:
& & 如图所示，在保护板对外放电的过程中，8205A内的两个电子开关并不完全等效于两个机械开关，而是等效于两个电阻很小的电阻，并称为8205A的导通内阻， 每个开关的导通内阻约为30mU 03a9共约为60mU 03a9，加在G极上的电压实际上是直接控制每个开关管的导通电阻的大小当G极电压大于1V时，开关管的导通内阻很小(几十毫欧)，相当于开关闭合，当G极电压小于0.7V以下时，开关管的导通内阻很大(几M&O)，相当于开关断开。电压UA就是8205A的导通内阻与放电产生的电压，负载电流增大则UA必然增大,因UA0.006L&IUA又称为8205A的管压降，UA可以简接表明放电电流的大小。上升到0.2V时便认为负载电流到达了极限值，于是停止第1脚的输出电压，使第1脚电压变为0V、8205A内的放电控制管关闭，切断电芯的放电回路，将关断放电控制管。换言之DW01 允许输出的最大电流是3.3A，实现了过电流保护。
& & 6. 短路保护控制过程:
& & 短路保护是过电流保护的一种极限形式，其控制过程及原理与过电流保护一样，短路只是在相当于在P P-间加上一个阻值小的电阻(约为0&O)使保护板的负载电流瞬时达到10A以上，保护板立即进行过电流保护。
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3秒自动关闭窗口锂电池保护板工作原理
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锂电池保护板工作原理
锂电池保护板工作原理
信息发布时间： 16:19:26
锂电池保护板根据使用IC,电压等不同而电路及参数有所不同,保护板有两个核心部件：一块保护IC，它是由精确的比较器来获得可靠的保护参数；另外是MOSFET串在主充放电回路中担当高速开关，执行保护动作。下面以DW01 配MOS管8205A进行讲解:
　　激活保护板的方法：当保护板P+、P-没有输出处于保护状态，可以短路B-、P-来激活保护板，这时，Dout、Cout均会处于低电平（保护IC此两端口是高电平保护，低电平常态）状态打开两个MOS开关。
　　1.锂电池保护板其正常工作过程为:
　　当电芯电压在2.5V至4.3V之间时，DW01 的第1脚、第3脚均输出高电平(等于供电电压)，第二脚电压为0V。此时DW01 的第1脚 、第3脚电压将分别加到8205A的第5、4脚，8205A内的两个电子开关因其G极接到来自DW01 的电压，故均处于导通状态，即两个电子开关均处于开状态。此时电芯的负极与保护板的P-端相当于直接连通，保护板有电压输出。
　　2.保护板过放电保护控制原理:
　　当电芯通过外接的负载进行放电时,电芯的电压将慢慢降低,同时DW01 内部将通过R1电阻实时监测电芯电压,当电芯电压下降到约2.3V时DW01 将认为电芯电压已处于过放电电压状态，便立即断开第1脚的输出电压，使第1脚电压变为0V，8205A内的开关管因第5脚无电压而关闭。此时电芯的B-与保护板的P-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。保护板处于过放电状态并一直保持。等到保护板的P 与P-间接上充电电压后，DW01 经B-检测到充电电压后便立即停止过放电状态，重新在第1脚输出高电压，使8205A内的过放电控制管导通，即电芯的B-与保护板的P-又重新接上，电芯经充电器直接充电。
　　3.保护板过充电保护控制原理:
　　当电池通过充电器正常充电时,随着充电时间的增加,电芯的电压将越来越高，当电芯电压升高到4.4V时,DW01 将认为电芯电压已处于过充电电压状态，便立即断开第3脚的输出电压，使第3脚电压变为0V，8205A内的开关管因第4脚无电压而关闭。此时电芯的B-与保护板的P-之间处于断开状态。即电芯的充电回路被切断，电芯将停止充电。保护板处于过充电状态并一直保持。等到保护板的P 与P-间接上放电负载后，因此时虽然过充电控制开关管关闭,但其内部的二极管正方向与放电回路的方向相同,故放电回路可以进行放电,当电芯的电压被放到低于4.3V时,DW01 停止过充电保护状态重新在第3脚输出高电压，使8205A内的过充电控制管导通，即电芯的B-与保护板P-又重新接上，电芯又能进行正常的充放电.
　　4.保护板短路保护控制原理:
　　在保护板对外放电的过程中，8205A内的两个电子开关并不完全等效于两个机械开关，而是等效于两个电阻很小的电阻，并称为8205A的导通内阻， 每个开关的导通内阻约为30m\U 03a9共约为60m\U 03a9，加在G极上的电压实际上是直接控制每个开关管的导通电阻的大小当G极电压大于1V时，开关管的导通内阻很小(几十毫欧)，相当于开关闭合，当G极电压小于0.7V以下时，开关管的导通内阻很大(几MΩ)，相当于开关断开。电压UA就是8205A的导通内阻与放电电流产生的电压，负载电流增大则UA必然增大,因UA0.006L×IUA又称为8205A的管压降，UA可以简接表明放电电流的大小。上升到0.2V时便认为负载电流到达了极限值，于是停止第1脚的输出电压，使第1脚电压变为0V、8205A内的放电控制管关闭，切断电芯的放电回路，将关断放电控制管。换言之DW01 允许输出的最大电流是3.3A，实现了过电流保护。
　　5. 短路保护控制过程:
　　短路保护是过电流保护的一种极限形式，其控制过程及原理与过电流保护一样，短路只是在相当于在P& P-间加上一个阻值小的电阻(约为0Ω)使保护板的负载电流瞬时达到10A以上，保护板立即进行过电流保护。
锂电池保护板的技术指标
　　1、电压保护能力
　　过充电保护：保护板必须具有预防电芯电压超过预设值的能力过放电保护：保护板必须具有预防电芯电压底于预设值的能力
　　2.电流能力(过流保护电流，短路保护）
　　保护板作为锂电芯的安全保护器件,既要在设备的正常工作电流范围内,能可靠工作,又要在当电池被意外短路或过流时能迅速动作,使电芯得到保护.
　　3、导通电阻：
　　定义：当充电电流为500mA时，MOS管的导通阻抗。
　　由于通讯设备的工作频率较高，数据传输要求误码率低，其脉冲串的上升及下降沿陡，故对电池的电流输出能力和电压稳定度要求高，因此保护板的MOS管开关导通时电阻要小，单节电芯保护板通常在&70mΩ ，如太大会导致通讯设备工作不正常，如手机在通话时突然断线、电话接不通、噪声等现象。
　　4、自耗电流
　　定义：IC工作电压为3.6V，空载状态下，流经保护IC的工作电流，一般极小.
　　保护板的自耗电流直接影响电池的待机时间，通常规定保护板的自耗电流小于10微安.
　　5、机械性能、温度适应能力、抗静电能力
　　保护板必须能通过国标规定的震动,冲击试验;保护板在- 40到85度能安全工作,能经受±15KV的非接触ESD静电测试.
锂电池保护板的应用
　　锂电池保护板广泛应用于手机、对讲机、便携式DVD、矿灯、电动玩具、MP3/4电动工具、数码相机摄像机、笔记本电脑、军用战术灯、测绘仪器电动自行车、电动滑板车、航模、机器人、吸尘器、各种野外勘探作业设备。
锂电池保护板的主要厂商
　　保护IC的生产商
　　1）精工：日本
　　S8261&单节&，S8232&双节&。。。
　　2）理光：日本
　　R5400、R5402、R5421、R5426 。。。
　　3）美之美：日本
　　MM3077&单节&，MM节&。。。
　　4）富晶：台湾
　　单节：DW01+，DW01-，FS312F，FS326系列。
　　双节：FS3332
　　5）新德：台湾 CS213 （单节）
　　6）中星微：北京 VM7021 （单节）
　　7）士兰：杭州 SC451（单节）
　　MOSFET的生产商
　　1）捷拓（台湾）：GE8205A,GEV。。。
　　2）ANPEC茂达（台湾）：
　　APM9926，SM9926C，SM9988，APM9435,APM4435,APM2506 APM4953,APM9926,APM4410,APM2301,APM7313,APM3055,APM2014,APM2054,APM2509,APM9410。。。
　　3）FAIRCHILD（仙童）：FDS9926,FDW9926
　　4）CET（台湾华瑞）：CEM9926, CEM8205，CES2301,CES2312,CES2321, CEM9435,CEM4953,CEM8958。。
　　5）ST（意法）：5NF20V
　　6）SANYO（日本三洋）：FTD2017、FTD2011A、ECH8601、。。。
　　7）AOS（美国）AO8822、AO8810、AO8816、AO4805、AO4953、AO9953、AO4801H。。。
　　8）三合微（台湾）：STG8203、STG8204、STG8205、STG2301。。。
　　9）南海（台湾）：SSS8205，SSS9926，SSS5NF20V。。。
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当前位置：&>>&&>>&&>>&锂电池组保护板均衡充电解决方案
　　本文针对动力锂成组使用，各节均要求充电过电压、放电欠电压、过流、短路的保护，充电过程中要实现整组电池均衡充电的问题，介绍了一种采用单节锂电池保护芯片对任意串联数的成组锂电池进行保护的含均衡充电功能的电池组保护板的设计方案。经过仿真结果和工业生产应用证明，该保护板的保护功能完善，工作稳定，性价比高。
　　常用的均衡充电技术包括恒定分流均衡充电、通断分流电阻均衡充电、平均电池电压均衡充电、均衡充电、降压型变换器均衡充电、电感均衡充电等。成组的锂电池串联充电时，应保证每节电池均衡充电，否则使用过程中会影响整组电池的性能和寿命。而现有的单节锂电池保护芯片均不含均衡充电控制功能，多节锂电池保护芯片均衡充电控制功能需要外接CPU;通过和保护芯片的串行通讯（如I2C总线）来实现，加大了保护电路的复杂程度和设计难度、降低了系统的效率和可靠性、增加了功耗。
　　本文针对动力锂电池成组使用，各节锂电池均要求充电过电压、放电欠电压、过流、短路的保护，充电过程中要实现整组电池均衡充电的问题，介绍了一种采用单节锂电池保护芯片对任意串联数的成组锂电池进行保护的含均衡充电功能的电池组保护板的设计方案。仿真结果和工业生产应用证明，该保护板保护功能完善，工作稳定，性价比高，均衡充电误差小于50mV。
　　1 锂电池组保护板均衡充电原理结构
　　采用单节锂电池保护芯片设计的具备均衡充电能力的锂电池组保护板结构框图如下图1所示。
　　&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 图1锂电池组保护板结构框图
　　其中：1为单节锂离子电池；2为充电过电压分流放电支路电阻；3为分流放电支路控制用开关器件；4为过流检测保护电阻；5为省略的锂电池保护芯片及电路连接部分；6为单节锂电池保护芯片（一般包括充电控制引脚CO,放电控制引脚DO,放电过电流及短路检测引脚VM,电池正端VDD,电池负端VSS等）；7为充电过电压保护信号经隔离后形成并联关系驱动主电路中充电控制用MOS管栅极；8为放电欠电压、过流、短路保护信号经光耦隔离后形成串联关系驱动主电路中放电控制用MOS管栅极；9为充电控制开关器件；10为放电控制开关器件；11为控制电路；12为主电路；13为分流放电支路。单节锂电池保护芯片数目依据锂电池组电池数目确定，串联使用，分别对所对应单节锂电池的充放电、过流、短路状态进行保护。该系统在充电保护的同时，通过保护芯片控制分流放电支路开关器件的通断实现均衡充电，该方案有别于传统的在充电器端实现均衡充电的做法，降低了锂电池组充电器设计应用的成本。
　　2 硬件设计
　　2.1充电电路
　　当锂电池组充电时，外接电源正负极分别接电池组正负极BAT+和BAT-两端，充电电流流经电池组正极BAT+、电池组中单节锂电池1~N、放电控制开关器件、充电控制开关器件、电池组负极BAT-,电流流向如图2所示。
　　&&&&&&&&&&&&&&&& 图2锂电池组充电电路
　　系统中控制电路部分单节锂电池保护芯片的充电过电压保护控制信号经光耦隔离后并联输出，为主电路中充电开关器件的导通提供栅极电压；如某一节或几节锂电池在充电过程中先进入过电压保护状态，则由过电压保护信号控制并联在单节锂电池正负极两端的分流放电支路放电，同时将串接在充电回路中的对应单体锂电池断离出充电回路。
　　2.2主电路及分流放电支路
　　锂电池组串联充电时，忽略单节电池容量差别的影响，一般内阻较小的电池先充满。此时，相应的过电压保护信号控制分流放电支路的开关器件闭合，在两端并联上一个分流电阻。根据电池的PNGV等效电路模型，此时分流支路电阻相当于先充满的单节锂电池的负载，该电池通过其放电，使电池端电压维持在充满状态附近一个极小的范围内。假设第1节锂电池先充电完成，进入过电压保护状态，则主电路及分流放电支路中电流流向如图3所示。当所有单节电池均充电进入过电压保护状态时，全部单节锂电池电压大小在误差范围内完全相等，各节保护芯片充电保护控制信号均变低，无法为主电路中的充电控制开关器件提供栅极偏压，使其关断，主回路断开，即实现均衡充电，充电过程完成。
　　&&&&&&&&&&&&&&&& 图3主电路及分流放电支路
　　单节电池两端并接的放电支路电阻可根据锂电池充电器的充电电压大小以及锂电池的参数和放电电流的大小计算得出。均衡电流应合理选择，如果太小，均衡效果不明显；如果太大，系统的能量损耗大，均衡效率低，对锂电池组热管理要求高，一般电流大小可设计在50~之间。
　　2.3放电电路
　　当电池组放电时，外接负载分别接电池组正负极BAT+和BAT-两端，放电电流流经电池组负极BAT-、充电控制开关器件、放电控制开关器件、电池组中单节锂电池N~1和电池组正极BAT+,电流流向如图4所示。系统中控制电路部分单节锂电池保护芯片的放电欠电压保护、过流和短路保护控制信号经光耦隔离后串联输出，为主电路中放电开关器件的导通提供栅极电压；一旦电池组在放电过程中遇到单节锂电池欠电压或者过流和短路等特殊情况，对应的单节锂电池放电保护控制信号变低，无法为主电路中的放电控制开关器件提供栅极偏压，使其关断，主回路断开，即结束放电使用过程。
　&&&&&&&&&&&&&&&& 　图4电池组放电电路
　　一般锂电池采用恒流-恒压（TAPER）型充电控制，恒压充电时，充电电流近似指数规律减小。系统中充放电主回路的开关器件可根据外部电路要求满足的最大工作电流和工作电压选型。
　　控制电路的单节锂电池保护芯片可根据待保护的单节锂电池的电压等级、保护延迟时间等选型。分流放电支路电阻可采用功率电阻或电阻网络实现。这里采用电阻网络实现分流放电支路电阻较为合理，可以有效消除电阻偏差的影响，此外，还能起到降低热功耗的作用。
　　3 均衡充电保护板电路仿真
　　根据上述均衡充电保护板电路工作的基本原理，在Matlab/Simulink环境下搭建了系统仿真模型，模拟锂电池组充放电过程中保护板工作的情况，验证该设计方案的可行性。为简单起见，给出了锂电池组仅由2节锂电池串联的仿真模型，如图5所示。
　　&&&&&&&&&&&&&&&&&& 图5 2节锂电池串联均充保护仿真模型
　　模型中用受控电压源代替单节锂电池，模拟电池充放电的情况。图5中，Rs为串联电池组的电池总内阻，RL为负载电阻，Rd为分流放电支路电阻。所采用的单节锂电池保护芯片S28241封装为一个子系统，使整体模型表达时更为简洁。
　　保护芯片子系统模型主要用逻辑运算模块、符号函数模块、一维查表模块、积分模块、延时模块、开关模块、数学运算模块等模拟了保护动作的时序与逻辑。由于仿真环境与真实电路存在一定的差别，仿真时不需要滤波和强弱电隔离，而且多余的模块容易导致仿真时间的冗长。因此，在实际仿真过程中，去除了滤波、光耦隔离、电平调理等电路，并把为大电流分流设计的电阻网络改为单电阻，降低了仿真系统的复杂程度。建立完整的系统仿真模型时，要注意不同模块的输入输出数据和信号类型可能存在差异，必须正确排列模块的连接顺序，必要时进行数据类型的转换，模型中用电压检测模块实现了强弱信号的转换连接问题。
　　仿真模型中受控电压源的给定信号在波形大体一致的前提下可有微小差别，以代表电池个体充放电的差异。图6为电池组中单节电池电压检测仿真结果，可见采用过流放电支路均充的办法，该电路可正常工作。
　　&&&&&&&&&&&&&&&& 图6 锂电池电压检测仿真结果
　　4系统实验
　　实际应用中，针对某品牌电动自行车生产厂的需求，设计实现了2组并联、10节串联的36V8A.h锰酸锂动力电池组保护板，其中单节锂电池保护芯片采用日本精工公司的S28241,保护板主要由主电路、控制电路、分流放电支路以及滤波、光耦隔离和电平调理电路等部分组成，其基本结构如图7所示。放电支路电流选择在800mA左右，采用510Ω电阻串并联构成电阻网络。
　　&&&&&&&&&&&&&&&&& 图7 锂电池组保护板调试
　　调试工作主要分为电压测试和电流测试两部分。电压测试包括充电性能检测过电压、均充以及放电性能检测欠电压两步。可以选择采用电池模拟电源供应器代替实际的电池组进行测试，由于多节电池串联，该方案一次投入的测试成本较高。也可以使用装配好的电池组直接进行测试，对电池组循环充放电，观测过压和欠压时保护装置是否正常动作，记录过充保护时各节电池的实时电压，判断均衡充电的性能。但此方案一次测试耗费时间较长。对电池组作充电性能检测时，采用3位半精度电压表对10节电池的充电电压监测，可见各节电池都在正常工作电压范围内，并且单体之间的差异很小，充电过程中电压偏差小于100mV,满充电压4.2V、电压偏差小于50mV.电流测试部分包括过流检测和短路检测两步。过流检测可在电阻负载与电源回路间串接一电流表，缓慢减小负载，当电流增大到过流值时，看电流表是否指示断流。短路检测可直接短接电池组正负极来观测电流表状态。在确定器件完好，电路焊接无误的前提下，也可直接通过保护板上电源指示灯的状态进行电流测试。
　　实际使用中，考虑到外部干扰可能会引起电池电压不稳定的情况，这样会造成电压极短时间的过压或欠压，从而导致电池保护电路错误判断，因此在保护芯片配有相应的延时逻辑，必要时可在保护板上添加延时电路，这样将有效降低外部干扰造成保护电路误动作的可能性。由于电池组不工作时，保护板上各开关器件处于断开状态，故静态损耗几乎为0.当系统工作时，主要损耗为主电路中2个MOS管上的通态损耗，当充电状态下均衡电路工作时，分流支路中电阻热损耗较大，但时间较短，整体动态损耗在电池组正常工作的周期内处于可以接受的水平。
　　经测试，该保护电路的设计能够满足串联锂电池组保护的需要，保护功能齐全，能可靠地进行过充电、过放电的保护，同时实现均衡充电功能。
　　根据应用的需要，在改变保护芯片型号和串联数，电路中开关器件和能耗元件的功率等级之后，可对任意结构和电压等级的动力锂电池组实现保护和均充。如采用台湾富晶公司的单节锂电池保护芯片可实现3组并联、12串磷酸铁锂电池组保护板设计等。最终的多款工业产品价格合理，经3年市场检验无返修产品。
　　5 结论
　　本文采用单节锂电池保护芯片设计实现了多节锂电池串联的电池组保护板，除可完成必要的过电压、欠电压、过电流和短路保护功能外，还可以实现均衡充电功能。仿真和实验结果验证了该方案的可行性，市场使用情况检验了该设计的稳定性。
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【前言】说起开关电源的难点问题，PCB布板问题不算很大难点，但若是要布出一个精良PCB板一定是开关电源的难点之一（PCB设计不好，可能会导致无论怎么调试参数都调试布出来的情况，这么说并非危言耸听）原因是PCB布板时考虑的因素还是很多的，如：电气性能，工艺路线，安规要求，EMC...[][][][][][][][][][]
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