基于MAX1666的Li+电池保护电路

2006-05-07 15:49:49来源: 电子技术应用

近几年来,随着各种便携式设计(如手机、笔记本电脑、摄像机、数码相机、PDA等)的不断推出,对电池的要求也随之提高。以前,在这类应用中,NiMH电池NiCd电池以其低价格占有较大优势;但随着便携式设备对体积/重量的要求越来越苛刻,工作和待机时间越来越长以及Li+电池成本的不断降低,使Li+电池的优势性能在这类应用中得以充分的展示,被广大电子设计工程师和消费者所接受。预计随着Li+电池性能的不断提高和成本的进一步降低,Li+电池将在许多应用中取代NiMH和NiCd电池。

Li+电池与NiMH/NiCd电池相比,其主要优点表现在以下几个方面:

·能量密度高

Li+电池的重量密度为90W-小时/千克,体积密度为210W-小时/升);而LiMH电池和NiCd电池的重量密度分别为55W-小时/千克和50W-小时/千克,体积密度分别为180W-小时/升和140W-小时/升。从以上典型值可知,在相同电池容量的情况下,Li+电池的重量可以轻一倍,体积可以更小;换言之,如果在相同的电池重量下,Li+电池工作的时间可以多出一倍。

·单节电池电压高

单节Li+电池的标称电压值为3.6V,而单节NiMH/NiCd电池的标称电压只有1.2V,仅相当于Li+电池电压的1/3。正是由于Li+电池具有较高的输出电压(允许电压范围:2.7V~4.2V),所以目前已经有许多微处理器被设计成工作于此电压范围,而无需额外的电压转换器,如TI的MSP430系列、Microchip的PIC16LCXX/PIC16LFXX系列,从而降低了系统成本。

·自放电小

Li+电池典型的自放电系数为5~10%/月(20℃);而NiMh电池和NiCd电池的自放电系数分别为20~30%/月(20℃)和15~20%/月(20℃),并且在充电后几天内放电速率更快,同时放电速率也随温度升高而显著增加。

·温度特性好

Li+电池允许充电的温度范围为0~50℃,与NiMH/NiCd电池允许充电温度范围相同。但它们允许的快速充电温度范围却不相,Li+电池快速充电温度范围为+2.5℃~+47.5℃,而NiMH/NiCd电池只有10~40℃的快速充电范围。在充电时,若温度>40℃,Li+电池充电效率几乎不变;而NiMH/NiCd电池需要200~300%的电池总能量才能充满电池。在放电时,Li+电池允许的工作温度范围为-20℃~+60℃,并且在这个温度范围内,其输出的电池总容量几乎不变;0℃时输出电池总容量的90%左右;-20℃时为总容量的70%;而对于NiMH/NiCd电池来说,其放电容量随温度变化较大,尤其是在高温时性能更差,例如在40℃时,只能输出总容量的70%左右。

但是Li+电池也有自身的缺陷,例如在电池过充电或过放电时,电池可能完全损坏等。

本文钭针对Li+电池的特性,采用Maxim公司的Li+电池组保护器,提供一个具有优异性能/价格比、功能完善的Li+电池组保护器的设计方案。若用户采用的单节Li+电池,可参考使用RICOH公司的RN5VM1XXC/D系列的单节Li+电池保护器,由于篇幅的原因,不再赘述。

1 Li+电池的放电/充电及其保护

当Li+电池工作在放电状态时,应该避免电池过放电(电压低于2.4V;实际使用时,最低电压一般设定在2.7V以上),否则将导致内部电极氧化,使电池完全损坏;另外,由于Li+电池有较高的能量密度,绝对禁止输出短路或过流,否则将导致电池内部着火,甚至引起爆炸。图1是Li+电池典型的放电曲线。

当对Li+电池充电时,应该保证在快速充电之前,电池电压高于2.5V,否则会损坏电池;若不满足此条件,则最好采用小于1/10cA的充电电流预充至2.5V或2.5V以上,再进入快速充电状态。在快速充电过程中,采用限流方式充电,电流一般小于1cA;一旦达到电压调节点4.2V±50mV,即进入恒压充电方式(多数Li+电池生产厂家建议怜惜速充电电流小于1cA,恒压充电电压为4.2V±50mV,这里指负极为硬炭的Li+电池;而对于负极为石墨的Li+电池来说,则为4.1V,正电极都为氧化钴锂),当充电电流降低至1/10cA以下时,可以认为满充结束。对于Li+电池来说,如果过充电,即电池电压高于4.2V,内部电极也将引起氧化,导致电池容量降低或完全损坏,这也是为什么Li+电池采恒流-恒压充电的原因。图2是Li+电池充电的电流和电压典型曲线。

依据上述Li+电池的充电/放电特性,一款功能完善的Li+电池保护电路必须具备以下保护功能:

(1)过压保护,防止电池过充电电;

(2)欠压保护,防止电池过放电;

(3)充电限流保护;

(4)放电限流/短路保护;

(5)对于Li+电池组的应用,每节电池电压是否匹配检测和保护。

另外,如果Li+电池充电器没有小电池预充功能,则保护器应该具备涓流充电功能,即在电池电压过低时,充电/放电通道已被禁止,而允许涓流预充电池,使电池电压上升,以达到快速充电的条件。

2 MAX1666主要特性及其典型应用

MAX1666S/V/X是一种功能完善、配置灵活的2/3/4节Li+电池组保护器。用户能够根据实际情况,精确的设定各保护参数的门限值,为Li+电池组提供更为可靠地保护;另外,MAX1666还提供电池间电压不平衡保护、涓流充电以及电池组的状态输出。MAX1666主要电气特性:最高+28V工作电压、工作电流28μA、待机电流小于1μA,采用节省空间的QSOP封装。图3是MAX1666X的典型应用电路。

    MAX1666提供的电流/电压保护及其保护门限设定方法如下:

(1)过压保护

电池过压保护门限VOVT设定范围:+4.0V~+4.4V,精度±0.5%。OVA引脚连接至R1和R2组成的REF分压器端,则过压保护门限VOVT满足以下方程:

R2=[(VOVT-4V)/(4.4V-4V)]×RTOTAL

R1=RTOTAL-R2,可以取RTOTAL=1MΩ

当过压保护发生作用时,充电和涓流对应的两个P-MOSFET均关闭,同时输出报警信号。

(2)欠压保护

电池欠坟保护门限VUVT设定范围:+2.0V~+3.0V,精度±2.5%。UVA引脚连接至R3和R4组成REF分压器端,则欠压保护门限VUVT满足以下方程:

R4=[(VUVT-2V)]/(3V-2V)]×RTOTAL

R3=RTOTAL-R4,可以取RTOTAL=1MΩ

当欠压保护发生作用时,放电和充电对应的两个P-MOSFET均关闭,但涓流对尖的P-MOSFET仍然保持开通。欠压报警信号WRN在电池电压低于VUVT+100mV输出,高时VUVT+300mV解除。

(3)

电池间电压不平衡保护

电池间电压不平衡保护门限VCMT设定范围:0mV~500mV,精度±10%。MMA引脚连接至R5和R6组成的REF分压器端,则VCMT满足以下方程:

R6=(VCMT/500)×RTOTAL

R5=RTOTAL-R^,可以取RTOTAL=1MΩ

当任何两节电池的电压差超出此保护门限时,涓流充电、快速充电和放电对应的三个P-MOSFET均关闭,保护器输出电池组失效信号PKF。

(4)充电/放电过流保护

充电过流保护门限:GND比PKN电动势高200mV,对应电流=200mV/RSENSE;放电过流保护门限:PKN比GND电动势高300mV,对应电流=300mV/RSENSE。

    当过流情况发生时,充电和放电对应的P-MOSFET关断。同时启动内部559ms的定时器,550ms后,再次打开MOSFET,以便检测过流情况是否存在。如果故障仍然存在,则殖民地次关闭MOSFET,此过程不断重复进行。

图3为四节Li+电池组提供功能完善、性能可靠的电池电压/电流保护。图中设定的各参数的保护门限分别为:

VOVT=4.2V,VUVT=2.5V,VCMT=250mV,充电电流门限=4A,放电电流门限=6A.

实际使用中,可根据Li+电池组具体参数进行调整。另外,调整电阻R8(270Ω),可以设定涓流充电电流。,以条例实际Li+电池所允许的预充电流及续充电流。图中的三个P-MOSFET可采用IRF7404、IRF7406、Si4431或其它参数相似的型号。

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/power/200605/2166.html
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