手机锂离子电池保护线路全剖析

经常在论坛上看到这样一种观点:"长时间充电对锂离子电池不会有损害,这是因为有保护电路的存在."

我想这里有两个问题要澄清:

1.长时间对锂离子电池充电,如果是用的原装正品的充电器或座充,确实是不会有损害的.这个不是因为保护线路的功劳,而是靠充电线路的严格精确的设计来保证的.
2.有保护线路的存在,并不能完全的防止锂离子电池的过充的发生,保护线路只有在电池过充的时候才会起防止进一步过充的作用.

这是几个数据

RICOH推出的适合4.2V锂离子电池的保护芯片,其过充保护电压是4.35V+/-0.05V,日本精工SIEKO推出的8241系列中适合4.2V锂离子电池的保护芯片,其过充保护电压是4.275V+/-0.025V

而锂离子电池充饱的时候,其电池电压应该落在4.20V+/-0.04V之间,并没有触发保护线路动作.之所以厂家说明长时间充电不会过充是因为手机的充电管理确保在电池电压已经到达4.20V以后不会继续充电.而是保持监视状态.

等到了过充保护的电压,比如4.275V,这个锂离子电池已经是过充了,此时保护线路才被切断.防止进一步过充的危险.

讲完了这个认识误区,下面带大家认识一下手机锂离子电池的内部机构.主要谈一下锂离子的保护线路的功能及其工作原理.有兴趣的网友可以往下看:

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锂离子保护线路全解剖

一般用户接触到手机锂离子电池,在外面看到的除了电池外壳,还有就是几个五金触片了,如图中"电池正极,电池负极"就是的电池正负极输出.

┏━━Fuse━━━━━┳━━━━━━━━━┫电池正极
┃R1
┃┃
┇┏┻━━┓
┏┻┓┃保护IC┃
┏┻━┻┓┏┫┃
┃┃┃┗━━┳┛┏━━┫标识电阻
┃锂离子┃┃┃┃
┃电芯┃┃┃R2
┃┃┃┃┃
┗━┳━┛┃┻Mosfet┃
┃┃┏╈┓┃
┗━━━━━━━┻━━┻┛┗━━━┻━━┫电池负极

而实际真正供电的源泉是电池塑料壳里面的锂离子电池芯,但是由于锂离子电芯的"娇嫩"的特性,比如过充和过放,大电流放电,短路等非常规动作都会对锂离子电芯造成极大的伤害.所以保护线路的功能就是在上述非常规动作发生时及时的切断回路.保护锂离子电芯.而这些保护动作就是图中的保护IC来判断,由它来控制一对Mosfet场效应管来导通和切断主供电回路,对锂离子电芯进行保护.

市面上常用的这种保护IC的生产厂商有SEIKO精工,RICOH理光,Motorala摩托罗拉半导体等.

以精工的S8241系列芯片来具体介绍各项保护功能.

众所周知,以恒压充电限制电压来划分,锂离子电池有4.1V恒压充电和4.2V恒压充电两种类型.现在4.1V的版本已经很少,绝大多数是4.2V的恒压充电类型的.下面的数据就只针对4.2V恒压充电的锂离子电池来讨论.

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保护IC+Mosfet可以实现的功能如下(四大保护):

1.过充保护,当电池芯的电压超过设定值时,由保护IC切断Mosfet管.等电芯电压回归到允许的电压是,重新恢复Mosfet管的导通.

过充检测电压:4.275V+/-0.025V,电芯电压一超过这个值,就触发过充保护

过充释放电压:4.175V+/-0.030V,处于过充保护的电芯电压只有降到这个值时才会停止保护.

过充保护延时:1秒.当电压持续超过过充检测电压1秒以上才会触发过充保护,这个是为了防止误判和误操作而设置的.

2.过放保护,当电池芯的电压降低得超过设定值时,由保护IC切断Mosfet管.等电芯电压回归到允许的电压时,重新恢复Mosfet管的导通.

过放检测电压:2.3V+/-0.08V

过放释放电压:2.4V

过放保护延时:125毫秒

参数的含义与过充保护的类似,不赘述.

3.过流保护,当工作电流超出设定值时,由保护IC切断Mosfet管.等工作电流回归到允许的电压是,重新恢复Mosfet管的导通.

过流电流压降:0.1V,这里保护IC判断的是电流流过Mosfet而产生的压降,用这个电压除于Mosfet的导通阻抗就可以近似得到过流保护的电流.一般在3~5A左右.

过流延时:8毫秒,注意这个延时比前面的几个过充过放的延时要短许多.

4.短路.其实这个功能是过流保护的扩展,当保护IC检测电池输出正负极之间电压小于规定值时,认为此时电池处于短路状态,立即切断回路.等短路的故障排除再恢复回路.短路时电池的输出正负极的电压为零,而实际电芯的电压还是正常的.

短路检测延时:10微秒,这个延时更是短暂,几乎是短路的瞬间就切断了回路,可以避免短路对电池带来的巨大损伤.

还有一个参数,称为保护IC的自耗,如上图,可以看到,保护IC是通过电阻R1利用了电芯的电压来进行工作的.不可避免的要消耗一部分电池的容量.一般保护IC的功耗是做的非常小的.在3微安左右,最大不超过6微安.

在保护回路里面还有一个器件,如上图标示的Fuse,就是保险丝.它是串联在电池的回路中.它的作用是在保护线路失效的情况下,作为最后的防线,对于过流或高温的锂离子电池进行切断回路的动作.该Fuse根据工作原理分为一次性保险丝(就象家里电表下用的那种)和可恢复保险丝(又称为PTC).

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