手机锂离子电池保护电路原理分析

  由于锂离子电池的特性与其它可充电电池不同，内部通常都带有一块电路板，不少人对该电路的作用不了解
（有些人可能还不知道锂电里有保护电路），下面将对锂离子电池的特点及其保护电路工作原理进行阐述。
  锂电池分为一次电池和二次电池两类，目前在手机里的备用电池因耗电小主要使用不可充电的一次锂电池，而

 

在手机主电池因耗电量较大则使用可充电的二次电池，即锂离子电池。
  

 

与镍镉和镍氢电池相比，锂离子电池具备以下几个优点：

  1、电压高，单节锂离子电池的电压可达到 3.6V，远高于镍镉和镍氢电池的 1.2V

 

电压。

  2、容量密度大，其容量密度是镍氢电池或镍镉电池的 1.5-2.5

 

倍。

  3

 

、荷电保持能力强（即自放电小），在放置很长时间后其容量损失也很小。

  4、寿命长，正常使用其循环寿命可达到 500

 

次以上。

  5、没有记忆效应，在充电前不必将剩余电量放空，使用方便。
  由于锂离子电池的化学特性，在正常使用过程中，其内部进行电能与化学能相互转化的化学正反应，但在某些
条件下，如对其过充电、过放电和过电流将会导致电池内部发生化学副反应

,该副反应加剧后，会严重影响电池的

性能与使用寿命，并可能产生大量气体，使电池内部压力迅速增大后爆炸而导致安全问题，因此所有的锂离子电
池都需要一个保护电路，用于对电池的充、放电状态进行有效监测，并在某些条件下关断充、放电回路以防止对

 

电池发生损害。
    
  该保护回路由两个 MOSFET（V1、V2）和一个控制 IC（N1）外加一些阻容元件构成。控制 IC 负责监测电池电
压与回路电流，并控制两个

MOSFET 的栅极，MOSFET 在电路中起开关作用，分别控制着充电回路与放电回路的导

通与关断，

C3 为延时电容，该电路具有过充电保护、过放电保护、过电流保护与短路保护功能，其工作原理分析

如下：
  1

 

、正常状态

  在正常状态下电路中 N1

“

的

CO” “

与

DO”脚都输出高电压，两个 MOSFET 都处于导通状态，电池可以自由地进行

充电和放电，由于

MOSFET 的导通阻抗很小，通常小于 30

 

毫欧，因此其导通电阻对电路的性能影响很小。

此状态下保护电路的消耗电流为

μA 级，通常小于 7μA  

。

  2

 

、过充电保护

  锂离子电池要求的充电方式为恒流/恒压，在充电初期，为恒流充电，随着充电过程，电压会上升到 4.2V(根
据正极材料不同，有的电池要求恒压值为

4.1V)

 

，转为恒压充电，直至电流越来越小。

  电池在被充电过程中，如果充电器电路失去控制，会使电池电压超过 4.2V 后继续恒流充电，此时电池电压仍
会继续上升，当电池电压被充电至超过

4.3V

 

时，电池的化学副反应将加剧，会导致电池损坏或出现安全问题。

  在带有保护电路的电池中，当控制 IC 检测到电池电压达到 4.28V（该值由控制 IC 决定，不同的 IC 有不同的

“

值）时，其

CO”脚将由高电压转变为零电压，使 V2 由导通转为关断，从而切断了充电回路，使充电器无法再对

电池进行充电，起到过充电保护作用。而此时由于

V2 自带的体二极管 VD2 的存在，电池可以通过该二极管对外部

负载进行放电。在控制

IC 检测到电池电压超过 4.28V 至发出关断 V2 信号之间，还有一段延时时间，该延时时间

的长短由

C3 决定，通常设为 1

 

秒左右，以避免因干扰而造成误判断。

  3

 

、过放电保护

  电池在对外部负载放电过程中，其电压会随着放电过程逐渐降低，当电池电压降至 2.5V 时，其容量已被完全

 

放光，此时如果让电池继续对负载放电，将造成电池的永久性损坏。
  在电池放电过程中，当控制 IC 检测到电池电压低于 2.3V（该值由控制 IC 决定，不同的 IC 有不同的值）时，

“

其

DO”脚将由高电压转变为零电压，使 V1 由导通转为关断，从而切断了放电回路，使电池无法再对负载进行放

电，起到过放电保护作用。而此时由于

V1 自带的体二极管 VD1 的存在，充电器可以通过该二极管对电池进行充电。

 

  由于在过放电保护状态下电池电压不能再降低，因此要求保护电路的消耗电流极小，此时控制 IC 会进入低功耗
状态，整个保护电路耗电会小于

0.1μA  

。

  在控制 IC 检测到电池电压低于 2.3V 至发出关断 V1 信号之间，也有一段延时时间，该延时时间的长短由 C3 决
定，通常设为

100

 

毫秒左右，以避免因干扰而造成误判断。

  4

 

、过电流保护

  由于锂离子电池的化学特性，电池生产厂家规定了其放电电流最大不能超过 2C（C=电池容量/小时），当电池
超过

2C

 

电流放电时，将会导致电池的永久性损坏或出现安全问题。

  电池在对负载正常放电过程中，放电电流在经过串联的 2 个 MOSFET 时，由于 MOSFET 的导通阻抗，会在其两
端产生一个电压，该电压值

U=I*RDS*2, RDS 为单个 MOSFET 导通阻抗，控制 IC

“

上的

V-”脚对该电压值进行检

测，若负载因某种原因导致异常，使回路电流增大，当回路电流大到使

U>0.1V（该值由控制 IC 决定，不同的 IC

“

有不同的值）时，其

DO”脚将由高电压转变为零电压，使 V1 由导通转为关断，从而切断了放电回路，使回路中

 

电流为零，起到过电流保护作用。
  在控制 IC 检测到过电流发生至发出关断 V1 信号之间，也有一段延时时间，该延时时间的长短由 C3 决定，通
常为

13

 

毫秒左右，以避免因干扰而造成误判断。