如何设计锂离子电池监控电路和保护电路

电池供电系统监控电路
　　如图所示为由ISO122P／124与仪表放大器INA105、多路选择器构成的600V电池系统的电池监控电路。电路对50个12V串联电池（即总 电压 600V）的充放电进行检测，以防止过充电或过放电。ISO122P／124的输入电压为单个12V电池两端端电压经两个10kΩ分压得到e／2电压，经 过隔离放大后送到INA105。INA105接成增益为1的反相放大器，输出e／2到多路选择器，由多路选择器控制选择输出。

　 　很多电池供电系统都需要一个可视指示器，用于指示何时需要更换电池。一般用LED做这种指示灯，但它们至少要消耗 10mA的电流。这个不小的电流会加速电池的放电，缩短电池的可用寿命。下图使用了一种采样数据技术降低了监控电路的平均功耗。该电路的待机电流为 5μA，在指示低电压时耗电为30μA。

　　图示，这个监控电路不会连续消耗电池电能，而是通过采样输入，实现5μA的待机功耗，以及30μA的低电压指示功耗。
　　在控制器有效的80μs导通时间内，控制器的VPP输出切换为VCC，而在关断期间则切换为高阻。一个快速安定基准设定了触发点。R2必须足够小，以为 LT1009提 供所需最小电流。R3、R4和R5对电池电压做分压，并送入一个比较器的输入端。电阻提供了5.5V的下触发点和5.95V的上触发点。内部比较器有低电 流偏置点，从而能够为分压器使用大阻值电阻。R5设定了比较器的迟滞。比较器驱动一个内部RS触发器，当 VINSETPOINT+DELTA时，触发器复位（ON/OFF=ground）。
　　锂离子电池监控器
　　锂离子电池监控器除了有保护电路外（可保护电池在充电、放电过程免于过充电、过放电和过热），并且能输出电池剩余能量信号（用LCD显示器可形象地显 示出电池剩余能量），使用者能随时了解电池的剩余能量状态，以便及时充电或更换电池。它主要用于有μC或μP的便携式电子产品中，如手机、摄像机、照相 机、医疗仪器或音、视频装置等。
　　这里以DS2760为例说明该器件的特点、内部结构及应用电路。该器件有温度传感器，能检测双向电流的电流检测器及电池电压检测器，并有12位ADC 将模拟量转模成数字量；有多种存储器，能实现电池剩余能量的计算。它是将数据采集、信息计算与存储及安全保护于一身。另外，它具有外围元件少、电路简单、 器件封装尺寸小（3.25mm×2.75mm管芯式BGA封装）的特点。
DS2760的内部有25mΩ检测电阻，能检测双向（充电及放电）电流（但自身阻值极小，损耗极小）；电流分辨率为0.625mA，动态范围为 1.8A，并有电流累加计算；电压测量分辨率为48mV；温度测量分辨率可达0.125℃；由ADC转换的数字量存储在相应的存储器内，通过单线接口与主 系统连接，可对锂离子电池组成的电源进行管理及控制，即实现与内部存储器进行读/写访问及控制。该器件功耗低，工作状态时最大电流80μA，节能状态（睡 眠模式）时小于2μA。
　　DS2760的功能结构框图如图5所示。它由温度传感器、25mΩ检测电阻、多路器、基准电压、ADC、多种存储器、电流累加器及时基、状态/控制电路、与主系统单线接口及地址、锂离子保护器等组成。
　　DS2760有EEPOM、可锁EEPROM及SRAM三种形式的存储器，EEPROM保护电池的重要数据，可锁EEPROM用作ROM，SRAM供暂丰数据的存储。

　　应用电路并不复杂，电路如图6所示。两个P沟道功率MOSFET分别控制充电及放电，BAT+、BAT-之间接入锂离子电池，PACK+、PACK-为电池组的正负端，DATA端与系统接口。该电路适用于单节锂电池，若采用贴片式元器件占空间很小，可做在电池中。
　　锂离子电池保护器
　　这里以AIC1811单节锂离子电池保护器为例来说明保护器的电路及工作原理。该器件主要特点：终止充电电压有4.35V、4.30V及 4.25V（分别由型号后缀A、B、C表示），充电电压精度可达±30mV（±0.7％）；耗电省，在3.5V工作电压时工作电流典型值7μA，到达终止 放电后耗电仅 0.2μA；有过充、过放、过流保护，并有延时以免瞬态干扰；过放电电压2.4V，精度±3.5％；小尺寸5管脚SOT-25封装；工作温度范围-20～ +80℃。

　 　AIC1811组成的单节锂离子电池保护电路如图1所示，其内部结构简化图及外部元器件图如图2所示。V1为控制放电的 MOSFET，V2为控制充电的MOSFET，R1、C1用来消除充电器输入电压的纹波及干扰电压，R2为防止充电器电源接反时保护CS端的电阻，R3为 V2的偏置电阻，FU为保险丝，BATT+及BATT-为电池组的正极和负极（此保护器电路置于电池中）。
　　在正常充、放电时，V1、 V2都导通。充电电流从BATT+流入，经保险丝向电池充电，经V1、V2后由BATT-流出。正常放电时，电流由BATT+经负载RL（图中未画出） 后，经BATT-及V2、V1流向电池负极，其电流方向与充电电流方向相反。由于V1、V2的导通电阻RDS（ON）极小，因此损耗较小。
　　几种保护的工作状态如下（参看下图）：