可监视电压的1节可充电锂电池保护电路

本电路采用s-82r1a保护ic,用于对1节锂离子/锂聚合物可充电电池组的过充电、过放电和过电流的保护。
电路原理
本电路通过把ntc热敏电阻器连接于s-82r1a的热敏电阻器连接端子(th端子),可以进行过热保护。通过使用电池电压监视端子(bs端子),还能监视电池电压,实现了以下性能:
-  过热检测温度+45°c ~ +85°c(1°c进阶):精度±3°c
-  过充电检测电压 3.500 v ~ 4.800 v(5 mv进阶):精度±15 mv 
-  过充电解除电压 3.100 v ~ 4.800 v:精度±50 mv 
-  过放电检测电压 2.000 v ~ 3.000 v(10 mv进阶):精度±50 mv 
-  过放电解除电压 2.000 v ~ 3.400 v:精度±75 mv 
-  放电过电流1检测电压 3 mv ~ 100 mv(0.5 mv进阶):精度±1.5 mv 
-  放电过电流2检测电压 10 mv ~ 100 mv(0.5 mv进阶):精度±3 mv 
-  负载短路检测电压 20 mv ~ 100 mv(1 mv进阶):精度±5 mv 
-  充电过电流检测电压 -100 mv ~ -3 mv(0.5 mv进阶):精度±1.5 mv 
-  各种检测延迟时间仅通过内置电路即可实现(不需要外接电容) 
-  放电过电流状态解除电压 : 放电过电流解除电压(vriov) = vdd × 0.8(典型值) 
-  休眠功能 : 有
-  高耐压:vm端子、co端子的绝对最大额定值28 v 
 工作时消耗电流:4.5μa(典型值)、6.0μa(最大值)(ta = +25°c) 
-  休眠时消耗电流: 50 na(最大值)(ta = +25°c) 
-  过放电时消耗电流: 0.5μa(最大值)(ta = +25°c)
电池保护ic的连接示例
1、通常状态 通常状态下,s-82r1a通过监视连接在vdd-vss间的电池电压,vini-vss间电压,以及ntc热敏电阻器的温度,来控制充电和放电。
电池电压在过放电检测电压(vdl)以上、过充电检测电压(vcu)以下的范围、vini端子电压在充电过电流检测电压(vciov)以上、放电过电流1检测电压(vdiov1)以下的范围、ntc热敏电阻器的温度在过热检测温度(ttd)以下时,充电控制用fet和放电控制用fet都为on。这种状态称为通常状态,可自由的进行充放电。
初次连接电池时,有可能不能放电。这时,如果连接充电器就可变为通常状态了。
2、过充电状态 过充电状态有2种情况:即过充电解除电压和过充电检测电压相异(vcl ≠ vcu)、相同(vcl = vcu)。
(1)vcl ≠ vcu
当通常状态下的电池电压在充电过程中超过vcu,且这种状态保持在过充电检测延迟时间(tcu)以上的情况下,充电控制用fet为off,会停止充电。这种状态称为过充电状态。过充电状态的解除,分为如下的2种情况。
如果vm端子电压在低于0.35v(典型值)的情况下,当电池电压降低到过充电解除电压(vcl)以下时,即可解除过充电状态。
如果vm端子电压在0.35v(典型值)以上的情况下,当电池电压降低到vcu以下时,即可解除过充电状态。检测出过充电之后,连接负载开始放电,由于放电电流通过充电控制用fet的内部寄生二极管流动,因此vm端子电压比vss端子电压增加了内部寄生二极管的vf电压。此时,如果vm端子电压在0.35v(典型值)以上的情况下,当电池电压在vcu以下时,即可解除过充电状态。
(2)vcl = vcu
当通常状态下的电池电压在充电过程中超过vcu,且这种状态保持在tcu以上的情况下,充电控制用fet为off,会停止充电。这种状态称为过充电状态。
当vm端子电压在0.35v(典型值)以上,并且电池电压降低到vcu以下时,即可解除过充电状态。检测出过充电之后,连接负载开始放电,由于放电电流通过充电控制用fet的内部寄生二极管流动,因此vm端子电压比vss端子电压增加了内部寄生二极管的vf电压。此时,如果vm端子电压在0.35v(典型值)以上的情况下,当电池电压在vcu以下时,即可解除过充电状态。
对于超过vcu而被充电的电池,即使连接了较大值的负载,也不能使电池电压下降到vcu以下的情况下,在电池电压降低到vcu以下为止,放电过电流检测以及负载短路检测是不能发挥作用的。但是,实际上电池的内部阻抗有数十mω,在连接了可使过电流发生的较大值负载的情况下,因为电池电压会马上降低,因此放电过电流检测以及负载短路检测是可以发挥作用的。
检测出过充电之后,在连接充电器的情况下,即使电池电压降低到vcl以下,也不能解除过充电状态。断开与充电器的连接,当放电电流流动,vm端子电压上升到0.35v(典型值)以上时,既可解除过充电状态。
充电时序图  
3、过放电状态 当通常状态下的电池电压在放电过程中降低到vdl以下,且这种状态保持在过放电检测延迟时间(tdl)以上的情况下,放电控制用fet为off,会停止放电。这种状态称为过放电状态。
在过放电状态下,由于vdd-vm端子间可通过rvmd来进行短路,因此vm端子会因rvmd而被上拉。在过放电状态下如果连接充电器,当vm端子电压降低到0v(典型值)以下时,电池电压在vdl以上,解除过放电状态。vm端子电压不低于0v(典型值)时,电池电压在过放电解除电压(vdu)以上,解除过放电状态。
在过放电状态下,没有连接rvms。
在过放电状态下,当vm端子电压上升到0.7v(典型值)以上时,休眠功能则开始工作,消耗电流将减少到休眠时消耗电流(ipdn)。通过连接充电器,使vm端子电压降低到0.7v(典型值)以下,来解除休眠功能。
在过放电状态下,即使vm端子电压上升到0.7v(典型值)以上,休眠功能也不会工作。
4、放电过电流状态 放电过电流状态有4种情况:放电过电流1、放电过电流2、负载短路、负载短路2。
(1)放电过电流1、放电过电流2、负载短路
在通常状态下的电池,由于放电电流达到指定值以上,会导致vini端子电压上升到vdiov1以上,且此状态持续保持在放电过电流1检测延迟时间(tdiov1)以上的情况下,放电控制用fet为off,会停止放电。这种状态称为放电过电流状态。
在放电过电流状态下,vm-vss端子间可通过rvms来进行短路。但是,在连接着负载的期间,vm端子电压由于连接着负载而变为vdd端子电压。若断开与负载的连接,则vm端子恢复回vss端子电压。
当vm端子电压降低到vriov以下时,即可解除放电过电流状态。在放电过电流状态下,没有连接rvmd。
(2)负载短路2
在通常状态下的电池,连接了能导致放电过电流发生的负载,vm端子电压上升到vshort2以上,且此状态持续保持在负载短路检测延迟时间(tshort)以上的情况下,放电控制用fet为off,会停止放电。这种状态称为放电过电流状态。
5、充电过电流状态 在通常状态下的电池,由于充电电流在指定值以上,会导致vini端子电压降低到vciov以下,且此状态持续保持在充电过电流检测延迟时间(tciov)以上的情况下,充电控制用fet为off,会停止充电。这种状态称为充电过电流状态。
断开与充电器的连接,当放电电流流动,vm端子电压上升到0.35v(典型值)以上时,既可解除充电过电流状态。在过放电状态下,充电过电流检测不发挥作用。
6、过热保护状态 当连接于th端子的ntc热敏电阻器的温度超过过热检测温度(ttd),且此状态持续维持在过热检测延迟时间(tth)以上的情况下,充电控制用fet和放电控制用fet都为off,会停止充放电。这种状态称为过热保护状态。
当ntc热敏电阻器的温度低于过热解除温度(ttr)时,解除过热保护状态。在过放电状态下,过热检测不工作。
7、电池电压监视端子(bs端子) 通过bs端子可以监视vss端子的电位。在通常状态下,bs端子、vss端子间通过rbss连接。在通常状态以外时,rbss被切断。但是,在过放电状态连接充电器时,当vm端子电压降低到0v(典型值)以下,rbss会被连接。
8、允许向0v电池充电 已被连接的电池电压因自身放电,在为0v时的状态下开始变为可进行充电的功能。在eb+端子与eb?端子之间连接电压在向0v电池充电开始充电器电压(v0cha)以上的充电器时,充电控制用fet的门极会被固定为vdd端子电压。
借助于充电器电压,当充电控制用fet的门极和源极间电压达到阈值电压以上时,充电控制用fet将被导通(on)而开始进行充电。此时,放电控制用fet为off,充电电流会流经放电控制用fet的内部寄生二极管而流入。在电池电压变为vdl以上时恢复回通常状态。
9、禁止向0v电池充电 连接了内部短路的电池(0v电池)时,禁止充电的功能。电池电压在0v电池充电禁止电池电压(v0inh)以下时,充电控制用fet的门极被固定在eb?端子电压,而禁止进行充电。当电池电压在v0inh以上时,可以进行充电。
有可能存在被完全放电后,不推荐再一次进行充电的锂离子可充电电池。这是由于锂离子可充电电池的特性而决定的,所以当决定允许或禁止向0v电池充电时,请向电池厂商确认详细情况。
10、延迟电路 各种检测延迟时间是将约4khz的时钟进行计数之后而分频计算出来的。备注 tdiov1, tdiov2, tshort的计时是从检测出vdiov1时开始的。因此,从检测出vdiov1时刻起到超过tdiov2, tshort之后,当检测出vdiov2, vshort时,从检测出时刻起分别在tdiov2, tshort之内立即把放电控制用fet切换为off。
芯齐齐bom分析
本电路通过s-82r1a电池保护ic,使用外接ntc热敏电阻器,实现了高精度过热保护电路,而且外接元器件精简。
其中,s-82r1a电池保护ic内置高精度电压检测电路和延迟电路,自带电池电压监视端子,各种检测延迟时间仅通过内置电路即可实现 (不需要外接电容)。s-82r1a工作温度范围广-40°c~+85°c, 采用hsnt-8(1616)封装,无铅(sn 100%)、无卤素。
bom表中,如果fet的阈值电压在过放电检测电压以上的情况下,有可能导致在过放电检测之前停止放电的情况发生,应该让阈值电压≤过放电检测电压。
电阻器中,由于过充电检测电压精度由r1 = 100ω保证,连接其他数值的电阻会降低精度。因此,r1应以实测结果为准,定型时选择1% 精度精密电阻器。温度检测精度因ntc热敏电阻器的规格不同而有所偏差,r4选择阻值为470kω±1%精度的ntc热敏电阻器。


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