鋰離子電池保護器MAX1894/MAX1924應(yīng)用

摘要：敘述了MAX1894/MAX1924的特點、性能指標和工作原理，詳細分析了各種保護電路的功能及設(shè)計要求，給出了3串/4串?離子電池組保護器的設(shè)計方法。關(guān)鍵詞：涓流充電；充電保護；放電保護

1引言

MAX1894/MAX1924用于保護3串或4串鋰離子、鋰聚合物電池組。通過監(jiān)控每只單體電池的電壓，防止電池過充電和過放電；通過監(jiān)控電池組的充放電電流，防止電流過大和負載短路而損壞電池組。

發(fā)生故障時，芯片內(nèi)的驅(qū)動器使外接的P溝道MOSFET關(guān)斷，電池組充放電終止。外接MOSFET采用共源極接法，無需外接上拉電阻，各種過流和短路保護由一只電流取樣電阻實現(xiàn)，所有保護門限值和各種保護延遲時間均由器件內(nèi)部設(shè)定（廠方可根據(jù)用戶要求微調(diào)），不需要任何外部元器件。

電池組放電過程中，任何一只單體電池的電壓低于過放電保護門限值時，器件立即切斷負載，防止電池組因過放電而損壞。電池組充電過程中，任一單體電池的電壓低于過放電保護電壓時，不允許快速充電。此時，外接的涓流充電控制MOSFET導通，通過MOSFET和一只串聯(lián)電阻對電池組進行涓流充電。

工作中，外部微處理器控制器件的兩個邏輯電平輸入腳，外加低電平時，保護器正常工作，外加高電平時，外接的3只MOSFET關(guān)斷，器件進入關(guān)斷狀態(tài)，電池組停止充放電。

應(yīng)用中，MAX1894X用于4只串聯(lián)鋰電池組保護，各種保護門限沒有滯后時間，過充電電壓設(shè)置為4.25V。MAX1924X也用于4只串聯(lián)鋰電池組保護，過充電電壓設(shè)置為4.35V，具有一定滯后時間。MAX1924V用于3只串聯(lián)鋰電池組保護，過充電電壓設(shè)置為4.35V，并且各種保護門限值都具有一定的滯后時間。

2主要特點和參數(shù)

1）單體電池過壓保護過壓保護值設(shè)在4V～4.4V之間，過充電保護電壓精度0.5％；

2）單體電池欠壓保護欠壓保護值設(shè)在2V～3.2V之間，過放電保護電壓精度0.5％；

3）充放電過流保護和電池組短路保護過流保護值由外接電流取樣電阻設(shè)定。

4）自動涓流充電電池組過放電后，單體電池的電壓低于欠壓保護值，必須先涓流充電，待電壓高于欠壓保護值后，再轉(zhuǎn)入快速充電。

5）器件功能齊全器件內(nèi)部具有完整的MOSFET驅(qū)動電路，不需外接上拉電阻。

圖1引腳排列

6）靜態(tài)電流和關(guān)斷狀態(tài)電流特別小靜態(tài)工作電流典型值為30μA，連續(xù)功耗667mW，關(guān)斷狀態(tài)下輸入電流0.8μA，可防止電池組長期存放時，因自放電電流過大而損壞。

7）最高輸入電壓28V滿足3串和4串鋰電池組的要求。

8）采用小型16腳QSOP封裝印刷電路板面積很小，保護板可方便地裝入電池組中。

9）工作溫度范圍寬工作溫度范圍－40℃～

＋85℃，存貯溫度范圍－65℃～＋150℃。

3引腳排列及功能

MAX1894/MAX1924引腳排列如圖1所示。各引腳功能如下：

腳1（B4P）接第4只單體電池的正極，采用MAX1924V保護3串鋰電池組時，應(yīng)將B4P與B3P腳短路；

腳2（Vcc）電源輸入腳，通過二極管和電容器接電池組的正極；

腳3（B3P）接第3只單體電池的正極；

腳4（IC3）內(nèi)部接點，應(yīng)用時懸空；

腳5（B2P）接第2只單體電池的正極；

腳6（IC2）內(nèi)部接點，應(yīng)用時懸空；

腳7（B1P）接第1只單體電池的正極；

腳8（IC1）內(nèi)部接點，應(yīng)用時懸空；

腳9（BN）接第1只單體電池負極和電流取樣電阻Rsense的上端，也是芯片的接地腳；

腳10（PKN）接電池組負極，電流取樣電阻Rsense接在BN和PKN之間；

腳11（CTL）外部控制信號輸入腳，如不需要外部控制電路或微控制器，接PKN腳；

腳12（SHDN）關(guān)斷腳，加低電平時保護器正常工作，加高電平時若電池組未接入充電器，保護電路進入關(guān)斷狀態(tài)，如不需要外部控制電路或微控制器，接PKN腳；

腳13（TKO）涓流充電驅(qū)動器輸出腳，接外部涓流充電控制P溝道MOSFET的柵極；

腳14（CGO）快速充電驅(qū)動器輸出腳，接外部快速充電控制MOSFET的柵極；

腳15（DSO）放電驅(qū)動器輸出腳，接外部放電控制P溝道MOSFET的柵極；

腳16（SRC）外接MOSFET的共源極接點，提供DSO、TKO和CGO驅(qū)動器所需的柵極偏壓。

4基本工作原理

MAX1894/MAX1924內(nèi)部框圖如圖2所示，由單體電池電壓取樣電路、比較電路、?放電電流檢測比較電路、故障邏輯電路和快速充電、涓流充放電控制MOSFET的驅(qū)動電路等部分組成。

單體電池電壓選擇器可以交替檢測四只單體電池的電壓，該電壓與過壓、欠壓門限值經(jīng)比較器比較后，誤差信號經(jīng)狀態(tài)機送入故障邏輯電路。如果各單體電池的電壓均在過壓值以下，欠壓門限值以上，驅(qū)動器可輸出驅(qū)動信號，使快速充放電控制MOSFET導通，電池組正常充放電。如果任意一個單體電池的電壓高于過充電門限值，驅(qū)動器輸出信號使快速充電控制MOSFET關(guān)斷，電池組停止工作。如果任意一個單體電池的電壓低于過放電保護門限值，驅(qū)動信號使放電控制MOSFET關(guān)斷，電池組停止放電。

電流取樣電阻Rsense兩端電壓通過腳PKN和BN加到內(nèi)部比較器的輸入端，比較器輸出電壓經(jīng)置位/復(fù)位定時器后，也加到故障邏輯電路，故障邏輯電路通過驅(qū)動器控制外接的MOSFET。當充電電流過大時，充電控制MOSFET關(guān)斷，當放電電流過大時，放電控制MOSFET關(guān)斷，因而可防止電池組因充放電電流過大而損壞。

圖2MAX1894/MAX1924內(nèi)部框圖

圖3關(guān)斷狀態(tài)流程圖

圖4具有涓流充電功能的典型應(yīng)用電路

4．1關(guān)斷狀態(tài)

當電池組未接充電器，關(guān)斷腳SHDN為高電平或某一單體電池的電壓低于欠壓（過放電）保護值時，則器件進入關(guān)斷狀態(tài)，所有外接MOSFET關(guān)斷，腳Vcc的電流只有0.8μA，只要沒有充電電壓加到電池組，MOSFET共源極電壓USRC將低于電池組電壓，即USRCUB4P＋0.1V（UB4P是第4只單體電池正極的電壓），器件始終保持關(guān)斷狀態(tài)。

電池組接入充電器后，USRC>UB4P＋0.1V且電池組電壓高于4.5V，則器件轉(zhuǎn)入正常工作狀態(tài)，開始監(jiān)控各單體電池的電壓和電池組充放電電流。關(guān)斷狀態(tài)流程圖如圖3所示。

4．2正常工作狀態(tài)

有備用狀態(tài)（典型輸入電流只有29μA）和取樣狀態(tài)（典型輸入電流只有160μA）兩種工作方式。器件由關(guān)斷狀態(tài)轉(zhuǎn)入備用狀態(tài)后，維持79ms即進入取樣狀態(tài)，開始檢測每只單體電池的電壓，判斷是否過壓或欠壓，取樣狀態(tài)維持0.5ms后，返回備用狀態(tài)。正常工作中，器件將連續(xù)監(jiān)控電流取樣電阻Rsense兩端的電壓，判斷是否出現(xiàn)充放電過流或電池組短路故障。

5設(shè)計程序

5．1涓流充電電路設(shè)計

MAX1894/MAX1924組成的鋰電池保護電路有兩個充電控制電路：快速充電電路和涓流充電電路。充電過程中，若有一只或多只單體電池的電壓低于欠壓保護門限值，則腳TKO變?yōu)榈碗娖剑饨愉噶鞒潆奙OSFET導通，電池組開始涓流充電，如圖4所示。

涓流充電電流ITKO的外接電阻RTKO由充電器輸出電壓UCHRG和電池組電壓UPACK等參數(shù)決定：

RTKO=

如果不需要涓流充電功能，腳CGO應(yīng)懸空，腳TKO應(yīng)接到外接過充保護MOSFET的柵極，如圖5所示。充電器接入該保護電路后，如一只或多只單體電池的電壓低于過放電門限電壓，器件將不斷調(diào)整腳TKO的輸出電壓，改變充電電流，直到所有單體電池的電壓都高于過放電門限電壓。

5．2MOSFET驅(qū)動器保護電路

電路中三只外接MOSFET的源極都接在腳SRC。當MOSFET關(guān)斷時，不要外接上拉電阻就可將柵極電壓提升到腳SRC的電壓；當MOSFET導通時，芯片內(nèi)的嵌位電路可將柵源電壓限制在－14V，因此，可以選用最高柵源電壓為－20V的MOSFET。

圖5沒有涓流充電功能的典型應(yīng)用電路

5．3電流取樣電阻Rsense選擇

工作中，Rsense檢測所有電流故障并決定故障電流值。

充電過流保護門限值IOC為

IOC=（1）

過放電過流保護門限值IOD為

IOD=（2）

電池組短路電流門限值IPS為

IPS=（3）

根據(jù)以上各式可選擇適當?shù)娜与娮柚怠嶋H應(yīng)用中，取樣電阻要消耗一定的功率，電池組短路電流為

IPS=（4）

式中：UCELL為單體電池的電壓；

RDSON.DSO為放電控制MOSFET的通態(tài)電阻；

RDSON.CGO為充電控制MOSFET的通態(tài)電阻；

RCELL單體電池的內(nèi)阻；

NS電池組串聯(lián)電池數(shù)；

NP電池組并聯(lián)電池數(shù)。

在電池組短路狀態(tài)下，電流取樣電阻的功耗PPS為

PPS=×Rsense(5)

因此應(yīng)當選用功率大于PPS的電流取樣電阻Rsense。

5．4外接MOSFET選擇

電路中外接MOSFET作開關(guān)用，電池組充放電，應(yīng)根據(jù)要求的充放電電流選擇不同的P溝道MOSFET，通常，快速充電控制和放電控制MOSFET的要求是相同的，可以選用同一型號的MOSFET，涓流充電控制MOSFET可選用小信號型MOSFET。由于器件內(nèi)部的MOSFET驅(qū)動器柵源極箝位電壓Ugs為－20V，因此可選用最高Ugs為－20V的MOSFET。確保漏源極電壓高于電池組電壓。

MOSFET的功耗P=I2RDSON

通常，MOSFET的額定功耗均大于上述計算值，若單只MOSFET額定功耗不能滿足要求，可采用兩只或多只并聯(lián)。

5．5去耦電路設(shè)計

工作過程中電池組嚴重過載（如電池組短路）時，電壓將低于Vcc欠壓鎖定門限。為此，在Vcc輸入端采用二極管、電容器構(gòu)成峰值電壓檢測電路，如圖4圖5電路所示，可保證電池電壓瞬變時，保護電路連續(xù)工作。由于器件典型輸入電流只有30μA，所以D1和C6可以選用廉價的二極管和電容器，通常D1可選用額定電流為幾mA的30V肖特基二極管，濾波電容可選用0.1μF電容器。工作時為了檢測充電器是否接入電池組，器件要連續(xù)監(jiān)控腳B4P和SRC的電壓差，為確保該電壓差不受噪聲干擾，在兩輸入腳間必須接入時間常數(shù)很小的RC濾波器，該濾波器由R5和C5組成，通常R5選用10Ω，C5選用2.2μF電容器。

5.6單體電池保護與濾波

為了檢測每只單體電池的電壓，每只電池的正極分別接到器件的腳B1P、B2P、B3P和B4P。當相鄰兩個單體電池電壓輸入腳短路時，為了限流，在各單體電池的正極與單體電池電壓輸入腳之間應(yīng)串入一只電阻，為了不影響過壓取樣值，該電阻的壓降通常應(yīng)小于0.5mV，電池組最上面一只單體電池在取樣期間典型輸入偏流為60μA，為了減小取樣電流引起的取樣電壓變化，該電池與腳B4P之間應(yīng)串入10～50Ω電阻，電池組下面三只單體電池的輸入偏流均為0.5nA,通?？纱?kΩ電阻。為了濾波，腳B4P與腳B3P之間應(yīng)接入1μF電容器，由于B1P～B4P內(nèi)都接有ESD二極管，ESD保護電壓高達2kV，所以在兩相鄰單體電池電壓輸入腳之間應(yīng)接入0.1μF電容器，構(gòu)成RC濾波器，改善器件抗ESD性能，也可濾除腳B1P～B4P的尖峰電壓，避免MAX1894/MAX1924因受噪聲干擾而誤動作。

6結(jié)語

由MAX1894/MAX1924構(gòu)成的鋰離子電池組保護器電路結(jié)構(gòu)簡單，保護功能齊全，能可靠地控制充電器終止充電，確保電池充電安全。

參考文獻[1]陳有卿，劉海平.新穎集成電路應(yīng)用手冊[M].北京：人

民郵電出版社,1997.

[2]沙占友，李學堯，邱凱.新型特種集成電源及應(yīng)用[M].

北京：人民郵電出版社,1998.