笔记本电脑Li+电池保护及容量计量

前言

Li+电池具有容量大、使用寿命长、轻薄等特性，非常适合笔记本电脑等便携式产品，然而Li+电池在安全性设计中需严格避免出现过充电、过放电、短路等异常现象，另外，系统设计还往往需要电量指示，故在Li+电池模块内需要有电量计及保护IC。容量计量时如何得到最准确的容量预测，对于笔记本电脑的电池管理非常关键。在保护机制上，需要防止因第一级保护IC故障或MOSFET短路而造成的过压故障，所以，第二级保护IC在新产品的设计中是不可或缺的最后防线。本文提供了一个由MAX1780和MAX1906构成的、完备的Li+电池组保护方案。

电池保护电路结构

电池保护电路包括电量计、第一级保护IC（防止电池过充、过放、短路）、第二级保护IC（防止第二次过压）、保险丝、LED指示、温度调节等部件（图1），图中，MAX1780实现电量计量和第一级保护，MAX1906为第二级电池保护IC。

MAX1780对电量计容量的补偿

MAX1780采用各种查找表和缓存器为电池容量补偿提供了非常完整的方案，其中包括：

1、放电效率补偿

MAX1780会在电池放电时根据实际温度、放电电流对放电效率进行容量补偿。举例来说，根据电池在不同放电电流、温度下的放电曲线，以一个4000mAh的电池来说，在20℃、0.2C（放电电流800mAh）所能提供的容量最高，如果放电容量达到4000mAh，则此时放电效率为100﹪；若在0℃、0.2C下放电，可能提供的放电电量为3600mAh，则放电效率为3600/4000＝90﹪。所以，如果按照0.2C的速率放电一小时，温度为20℃时剩余容量为4000－800＝3200mAh，温度为0℃时，则正确容量为4000－（800 0.9）＝3112mAh。由此可见，电量计需要根据放电效率调整剩余容量，确保电量计量的准确性。

2、标定电压单元

将某一固定的剩余容量值在不同放电电流、温度下对应的电池电压作为标定电压。当电池电压达到标定电压时，则将电量计的剩余容量修正为标定电压对应的容量，若剩余容量已达到标定电压对应的容量、但电池电压仍高于标定电压，则保持剩余容量不变、直到电池电压达到标定电压后更新电压。

3、自放电补偿

电池的自放电会影响容量，且自放电率与温度、使用时间、电池容量有关，MAX1780同样利用查找表获得精准的自放电补偿。

电池匹配问题

随着电池工作时间的延长，每节电池的内部阻抗会产生较大的偏差，电池容量也会发生一定的变化。这样，充电时可能造成某节电池电压过高而其余电池尚未充满的现象。当然，也可能在放电时某节电池电压偏低，导致低电压保护提前动作，影响其他电池的使用寿命。所以，电池保护电路常常还考虑电池匹配性的检测，MAX1780利用四个GPIO、配合适当的软件控制，能够判断电池的匹配性。充电时，如果检测到某节电池异常，相应的GPIO可控制外部P沟道MOSFET导通，对该节电池的充电电流做适当分流，如图2所示，分流电流由限流电阻R决定，从而避免由于电池的不匹配而造成其它电池容量受损。


利用MAX1906提高系统的安全性

MAX1906通过控制一个三端保险丝为Li+电池组提供保护，该款IC通常配合其它保护电路为系统提供高级防护措施。MAX1906分别监视每节电池的电压，当任何一节电池电压超出门限值的时间大于2.1s时，保险丝驱动电路将吸收足够的电流、熔断外部保险丝，永久性地切断电池组与系统的连接。另外，MAX1906还可检测每节电池是否连接正常，内部测试电路用于检测电路工作是否正常。

结论

随着Li+应用范围越来越广，对Li+电池保护电路的要求也变得多样化、复杂化。MAX1780具有完善的电池容量计量补偿，灵活的软件设计可构成各种应用电路，配合MAX1906可实现两级防护，为笔记本电脑等要求高可靠性的设备提供良好的电池保护解决方案。AD574在工频弱磁测量仪中的应用