电池电路工作原理电路具有哪些功能？电池电路工作原理分析

　电池电路工作原理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。7|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。在上述控制过程中可知，其过电流检测值大小不仅取决于控制IC的控制值，还取决于MOSFET的导通阻抗，当MOSFET导通阻抗越大时，对同样的控制IC，其过电流保护值越小。

　　5、短路保护电池在对负载放电过程中，若回路电流大到使U>0.9V(该值由控制IC决定，不同的IC有不同的值)时，控制IC则判断为负载短路，其“DO”脚将迅速由高电压转变为零电压，使V1由导通转为关断，从而切断放电回路，起到短路保护作用。短路保护的延时时间极短，通常小于7微秒。其工作原理与过电流保护类似，只是判断方法不同，保护延时时间也不一样。

　　以上详细阐述了单节锂离子电池保护电路的工作原理，多节串联锂离子电池的保护原理与之类似，在此不再赘述，上面电路中所用的控制IC为日本理光公司的R5421系列，在实际的电池保护电路中，还有许多其它类型的控制IC，如日本精工的S-8241系列、日本MITSUMI的MM3061系列、台湾富晶的FS312和FS313系列、台湾类比科技的AAT8632系列等等，其工作原理大同小异，只是在具体参数上有所差别，有些控制IC为了节省外围电路，将滤波电容和延时电容做到了芯片内部，其外围电路可以很少，如日本精工的S-8241系列。除了控制IC外，电路中还有一个重要元件，就是MOSFET，它在电路中起着开关的作用，由于它直接串接在电池与外部负载之间，因此它的导通阻抗对电池的性能有影响，当选用的MOSFET较好时，其导通阻抗很小，电池包的内阻就小，带载能力也强，在放电时其消耗的电能也少。

　　随着科技的发展，便携式设备的体积越做越小，而随着这种趋势，对锂离子电池的保护电路体积的要求也越来越小，在这两年已出现了将控制IC和MOSFET整合成一颗保护IC的产品，如DIALOG公司的DA7112系列，有的厂家甚至将整个保护电路封装成一颗小尺寸的IC，如MITSUMI公司的产品。　
　在移动设备的设计中，电池的工作时间是一项重要的因素。许多移动设备都加入了更多的功能，这些新增的功能会快速地缩短运行时间。工程师必须利用复杂的电源管理方案，以便使电池获得最长的运行时间。

　　工程师需要运用电池消耗分析来评估电池运行时间，这种分析需要分别在单独及整合在系统之中这两种情况下来描述设备、固件/软件及其子电路。分析技术包括描述电池电流消耗，以及如何受各种工作模式及使用概况的影响。借助于这种分析，工程师就可以做出电源管理设计权衡，以尽量延长电池寿命。

　　大多数电源管理系统都是通过在亚毫秒时间尺度上使没有在活跃使用中的子系统进入睡眠状态来节省电池能量的。其结果是，设备在不到1s内发生的开/关事件中具有快速变化的电流。例如，GSM手机在传输时可以具有560μs, 2A的脉冲，接着当处于待机模式下，在睡眠周期中电流水平可能会跌落到毫安级。

　　验证电池时间

　　验证电池工作时间的一种方法是使用电压跌落测试，使用一块充满电的电池来给待验证的、处于工作模式下的待测设备(DUT)供电，直到电池没电。这种测试可能相对比较耗时间，因为它需要全部过程运行完成来确定电压关闭点，以确定工作时间。同样，其结果依赖于电池的初始状态，而后者可能会千差万别。

　　另一种方法是执行电流消耗测量，它能为工作时间测量提供更高的可信度。DUT被置于待评估的工作模式下运行一小段时间，并测量在这种特定工作模式中的电流消耗。然后，通过将名义电池容量除以测得的电流消耗来计算出工作时间。使用这种方法，设计师无须等待电池充分放电就能确定出运行时间。

　　理想系统的组成部分

　　在用于执行电池消耗分析的理想系统中(如图1所示)，需要的第一个要素是一种将DUT放入适当的工作模式中进行目标测试(DUT激励)的方法。对于移动电话而言，通常会使用基站仿真器。

　　其次，需要一种正确的DUT供电方法，使用电池或电源。电源的用途在于独立于电池来测试DUT，以确保测试的一致性，或者快速地复制各种电池状态而无须等待电池达到这些状态(充满电、部分放电、完全放电/寿命结束)。

　　其他重要的系统组成部分有：用于测量电流的电流转换器，用于记录电压和电流信号的数字化仪和用于分析和存储测试数据的软件，这些测试数据用于完成长期测试会非常庞大，能多达数吉字节。

　　测量考虑因素

　　电池消耗分析中使用的电源必须独立于电池来描述DUT。电源必须有快速的响应，以尽量减小DUT在切换模式或传输脉冲时所具有的快速回转电流脉冲所造成的瞬态电压跌落。

　　许多通用电源在这些条件下可能会出现高达1V的瞬态跌落，所以应该使用能够容忍这些条件而不出现电压下降的专用电源(有时称为电池仿真电源)。

　　从电池流向移动设备的快速变化的电流波形提出了两项测量难题：范围和速度。首先，电流的动态范围可能会超过1000:1，甚至1 000 000:1。全功率活动电流位于1～3A的量级，而低睡眠模式等级的电流位于数十微安的量级，所以待测电流的范围给电流转换器的选择提出了一项难题。

　　这里可以使用电流感知的电阻器或分流器，但选择大小合适的分流器却可能颇为棘手。如果分流器的大小适合于测量最小电流，那么在大电流事件中就会在分流器两端出现大的电压降幅，而这将给电路带来不可承受的电压负担。如果分流器的大小适合于测量大电流，那么当微安级电流流过时，就极有可能没有足够大的电压可供测量。通过配备几种分流器用于不同电流大小的测量，工程师可以解决信号级的问题，但这时切换分流器就意味着中断测量。

　　就测量速度而言，用于测量电流分流器电压和移动设备偏置电压的数字化仪应该具有50kHz或更快的采样率，以便捕获亚毫秒级脉冲，后者是复杂的电源管理方案的特征。

　　简化复杂的分析

　　像3G这样的通信系统采用复杂的调制格式，其特征是传输较高的数据率时所需的高阶幅度调制。从时域上看，生成的电流消耗波形是复杂而随机的。

　　当在较长时间内运行并进行不同的操作时，使用3个数据通道进行传输的一台cdma2000手机的射频功率放大器的电流消耗-时间图(如图2所示)变得复杂而不可预测。对于电池工作时间测试而言，这种情况很常见，并且难以观察到更改电流消耗设计的效果。

　　通过查看被抽取电流大小的统计分布，设计人员可以快速地看到设备在每种电流状态中工作的频繁程度。对于不同设计方案，比较这些CCDF图形，就可以看出设备何时消耗更多的能量(也就是说，在大电流状态下其时间的比例增加)，或者何时消耗更少的能量(也就是说，在小电流状态下其时间的比例增加)。因此，工程师就可以评估出何时设计更好(需要较少的能量)或者找出设计缺陷(出人意料的需要更多能量)。

　　现成的解决方案

　　几家测试设备供应商所生产的产品可处理目标测试系统的不同部分。一些供应商所提供的电源可以在抽取快速电流脉冲时提供稳定的、类似于电池的输出。

　　入门级解决方案是安捷伦科技公司的移动通信直流源66300系列。这一系列是特别定制的，用于给移动设备供电并同时测量其电流消耗。它整合了电池仿真电源和类似于示波器的高速数字化测量系统，可以为设备的活动、待机和关闭模式提供准确的电流测量。

　　这种直流源及其配套的交钥匙软件可以使用户在无须任何编程的情况下，以类似于示波器的视图、数据记录仪视图并在CCDF图表上看到它们的电流波形。如果对精度和采样速率有更高的要求，还可以选择该公司提供的其他解决方案。