畢業設計-鋰電池保護電路的研發與設計(已改無錯字)

　　

【正文】 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 當負載使電池電壓降低到保護電壓以下時 ,觸發保護 線路 ,Q1 關斷 . 短路保護電路分兩種 ,一種是一旦觸發后 ,短路故障排除 ,Q1 自行導通 ,另一種觸發后不會自行恢復 ,需要外界強行充電后才會釋放 . 六 .電池其它管腳的定義和解釋 畢業項目報告紙 共 39 頁 第 21頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 在許多手機的電池輸出端 ,除了正負極 ,通常還會有一個或幾個另外的輸出端 ,典型有如圖的兩種 ,NTC 電阻和 ID 電阻 . 電阻的原理 ID(標識的簡拼 ) 簡單講就是手機通過讀取該管腳電阻的阻值來獲悉電池的類型 (根據阻值的不同來區分鎳氫電池和鋰離子電池 ,區分大容量電池和普通容量電池 ) 電阻 畢業項目報告紙 共 39 頁 第 22頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ NTC 電阻正好是前面 PTC 電 阻的相反 .NTC 是負溫度系數熱敏電阻的簡拼 . 簡單講手機通過讀取該電阻的阻值獲取電池的溫度值 .籍以進行相應的保護動作 .比如在 0~45 度以外的環境 ,手機不進行充電 ,在 20~60 度的范圍之外手機強行關機 ,以此來保護在非電池容忍環境里的危險操作 . 原理 NTC 電阻的阻值和溫度的對應關系如上圖所示 ,圖中可以看出 ,該電阻對應溫度有一個非常明確的對應關系 .該電阻還可以用來進行一些電路的負溫度補償 . 畢業項目報告紙 共 39 頁 第 23頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 鋰電池保護電路的制作 設計電路 鋰電池保護電路的各個功能的實現方法已經在前一章節 中給出了詳細的說明，在本節將對之前的過流保護、短路保護及 S8209 芯片部分的電路整合到一起實現完整功能的鋰電池保護電路。由于電路圖過大，不便在此處貼出，詳見附 2 的電路圖。 此電路可以對 1～ 8 串鋰電池或鋰電池組進行充電，具有過充保護、過放保護、過流保護、短路保護 、電量平衡保護這些設計要求中所提及的全部功能。此電路的基本框架是 S8209 的典型應用電路，是在其基礎上進行改進而成的擴展電路。為了使保護電路的充電、放電端不相互影響，使用一個單刀雙擲開關。為了調節鋰電池接入電路的串數，使用了 8 個開關進行控制，其中包括 4 個單刀雙擲開關和 4 個單刀單擲開關。其中一個單刀雙擲開關和一個相應的單刀單擲開關為一組需同步撥動。表 詳細說明了開關的設置與接入電路的鋰電池串數的關系，開關的上撥是跳過下一組電池接入回路，下撥是使下一組電池接入回路。 表 鋰電池接入串數的控制 方法 串數 接入的鋰電池 單刀雙擲開關 單刀單擲開關 1 BAT1 全部上撥 全部上撥 2 BAT BAT2 Sa1 下撥，其它上撥 Sb1 下撥，其它上撥 3 BAT BAT BAT3 Sa Sa2 下撥，其它上撥 Sb Sb2 下撥，其它上撥 4 BAT BAT BAT BAT4 Sa Sa Sa3 下撥，其它上撥 除 Sb4 外都下撥 5 BAT BAT5～ 8 Sa4 下撥，其它上撥 Sb4 下撥 6 BAT BAT BAT5～ 8 Sa Sa4 下撥，其它上撥 Sb Sb4 下撥， 其它上撥 7 BAT BAT BATBAT5～ 8 Sa Sa Sa4 下撥，其它上撥 除 Sb3 外都下撥 8 全部接入 全部下撥 全部下撥 畢業項目報告紙 共 39 頁 第 24頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 在此保護電路中，鋰電池 BAT1 是一直接入電路的。在實現 1～ 4 串電池或電池組使用時， BAT BAT BAT4 可以依次接入達到要求； BAT BAT BAT BAT8作為一個 4 串電池組的整體，用 BAT5～ 8 表示。 確定選用元件的型號及參數 為了繪制 PCB 電路板，和焊接電路，需要確定電路中各元器件的型號、參數以及封裝。 S8209 芯片在前 邊已有描述，采用 TSSOP8 貼片式，其它如電阻、電容、三極管、 MOS 管和開關等都使用直插式元件。此鋰電池保護電路的電流值不高，所以電阻可以使用普通的 1/4W 金屬模電阻。電路中的電容都是 1μ F 以下的小電容，且電路對其要求不高，所以使用普通的陶瓷瓷片電容。開關也沒有特殊的要求，選用撥動式直插開關。三極管為 PNP 型，選用 C9012，封裝為 SIP3。開關管 N 溝道增強型 MOS 管選用 IRFD120，封裝為 HEXDIP； P 溝道增強型 MOS 管選用 IRFD9120，封裝為 HEXDIP。這三種有源器件的參數詳見表 。 表 有源器件的參數 PNP 型三極管 C9012 CE 耐壓值 CE 耐流值 10v 1A N 溝道增強型 MOS 管IRFD120 GS 耐壓值 DS 耐流值 150v P 溝道增強型 MOS 管IRFD9120 GS 耐壓值 DS 耐流值 100v 1A 繪制 PCB 電路板 根據所選元器件類型及封裝尺寸，使用 Protel 99SE 繪制 PCB 電路板。電阻、電容都使用貼片式器件，其尺寸只有 。三極管、 MOS 管的尺寸如上節 畢業項目報告紙 共 39 頁 第 25頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 中所述一致。 繪制 PCB 電路板的步驟大體分 為繪圖和制版。繪圖的過程是首先在 Protel 中繪制電路原理圖，然后根據器件的尺寸制作 PCB 元件庫，而后在 PCB 圖中以原理圖為準連接所建立的 PCB 模塊，本圖為了繪制簡單只采用了單層板，這樣可以節省成本并降低制作的工藝難度。制版的過程首先要將繪制好的 PCB 圖打印到菲林膠片上，然后把膠片貼在覆銅板上放入曝光機曝光數分鐘，之后放入腐蝕液中做腐蝕，將電路中的非導線部分的銅溶解掉，接著用酒精清洗一遍電路板，與 PCB 圖一致的一塊 PCB電路板就制作完成了。 最終制成的鋰電池保護電路板的 PCB 電路如圖 所示，其尺寸約為 74mm46mm。 圖 鋰電池保護電路 PCB 電路板 畢業項目報告紙 共 39 頁 第 26頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 4 總結 實際電路測試 實際制成的鋰電池保護電路的測試結果如表 所示。由于實際測試過程中在不破壞鋰電池或充電器的情況下，幾乎不可能測試過充、過放、過流、短路保護的功能，所以使用置位器分壓的方法模擬電池電壓以驗證電路功能并獲得相關參數。短路保護的功能原理實現方法簡單且實際應用中已有大量驗證，故不再做測試。 表 實際電路測試結果 項目 開啟閥值 解除閥值 過充保護 過放保護 電量平衡保護 過流保護 約為 1A ＜ 1A 理論與實際對比分析 在過放保護開啟時，開關 MOS 管柵源極電壓 VGS 輸出為 ，遠低于 MOS 管開啟電壓 2v，保護解除時， VGS 為 。過充保護開啟時， MOS 管柵源極電壓 VGS為 ，保護解除時， VGS 為 。這些值與理論值相差不多，其誤差僅存在于 MOS管的截止電壓均高于理論的 0v，其原因為三極管的基極與集電極間形成的微小電流。在過充保護時，這樣的工作過程 反而可以使過充保護緩慢開始，保證電池可以相對的充滿，不致使其在未充滿電的情況下斷開充電回路。 多串保護電路 電芯的正確串并聯 把電池串聯和并聯起來使用，這聽起來好象很簡單，但是，遵循一些簡單的規則，就可以避免不必要的問題。鋰電池組包含兩部分：電池和鋰電池保護線路。 在電池組中是把多個電池串聯起來，得到所需要的工作電壓。如果所需要的是更高的容量和更大的電流，那就應該把電池并聯起來。另外還有一些電池組，把串聯和并聯這兩種方法結合起來。一個筆記本電腦的電池有可能是把四節 鋰離子電 池串聯起來，總電壓達到 ；然后，再把兩組串聯在一起的電池并聯起來，這樣，電池組的總電量就可以從 2021 毫安時提高到 4000 毫安時。這種接法稱作“四串兩并”， 畢業項目報告紙 共 39 頁 第 27頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 它的意思是：把兩組由四節電池串聯在一起的電池組并聯起來。鋰離子電池的標稱電壓則是 。使用鋰離子聚合物和其他類型的鋰電池，它的額定電壓一般為 。如果要想得到像 這種不常見的電壓，就得把三節這種電池串聯在一起。串聯需要高電量的便攜設備，一般是由兩節或更多節電池串聯起來的電池組供電。使用高電壓電池組所帶來的另一個問題，就是有可能遇到 電池組里的某一節電池失效的情況。這就像一個鏈條，串聯在一起的電池越多，出現這種情況的幾率就越高。只要一節電池有問題，它的電壓就會降低。到最后，一節“斷開”的電池可能會中斷電流的輸送。而要更換“壞”電池也絕非易事，因為新老電池是互不匹配的。一般說來，新電池的容量要比老電池的高得多。隨著工作電壓的下降，它比正常電池組更快地達到放電結束的臨界點，同時，它的使用時間也急劇縮短。一旦設備因電壓過低而切斷電源，其余單體電池仍然完好的電池就不能把所存儲的電量送出來了。這時，壞的那節電池電池還呈現很大的內阻，如果此時還帶有 負載，那么，將會導致整個電池鏈的輸出電壓將大幅度下降。在一組串聯電池中，一節性能差的電池，就像是一個堵住水管的塞子，會產生巨大