手機鋰離子電池保護線路全剖析
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我想這里有兩個問題要澄清:
1.長時間對鋰離子電池充電,如果是用的原裝正品的充電器或座充,確實是不會有損害的.這個不是因為保護線路的功勞,而是靠充電線路的嚴格精確的設(shè)計來保證的.
2.有保護線路的存在,并不能完全的防止鋰離子電池的過充的發(fā)生,保護線路只有在電池過充的時候才會起防止進一步過充的作用.
這是幾個數(shù)據(jù)
RICOH推出的適合4.2V鋰離子電池的保護芯片,其過充保護電壓是4.35V+/-0.05V,日本精工SIEKO推出的8241系列中適合4.2V鋰離子電池的保護芯片,其過充保護電壓是4.275V+/-0.025V
而鋰離子電池充飽的時候,其電池電壓應(yīng)該落在4.20V+/-0.04V之間,并沒有觸發(fā)保護線路動作.之所以廠家說明長時間充電不會過充是因為手機的充電管理確保在電池電壓已經(jīng)到達4.20V以后不會繼續(xù)充電.而是保持監(jiān)視狀態(tài).
等到了過充保護的電壓,比如4.275V,這個鋰離子電池已經(jīng)是過充了,此時保護線路才被切斷.防止進一步過充的危險.
講完了這個認識誤區(qū),下面帶大家認識一下手機鋰離子電池的內(nèi)部機構(gòu).主要談一下鋰離子的保護線路的功能及其工作原理.有興趣的網(wǎng)友可以往下看:
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鋰離子保護線路全解剖
一般用戶接觸到手機鋰離子電池,在外面看到的除了電池外殼,還有就是幾個五金觸片了,如圖中"電池正極,電池負極"就是的電池正負極輸出.
┏━━Fuse━━━━━┳━━━━━━━━━┫電池正極
┃ R1
┃ ┃
┇ ┏┻━━┓
┏┻┓ ┃保護IC┃
┏┻━┻┓ ┏┫ ┃
┃ ┃ ┃┗━━┳┛ ┏━━┫標識電阻
┃鋰離子┃ ┃ ┃ ┃
┃電芯 ┃ ┃ ┃ R2
┃ ┃ ┃ ┃ ┃
┗━┳━┛ ┃ ┻Mosfet┃
┃ ┃ ┏╈┓ ┃
┗━━━━━━━┻━━┻┛┗━━━┻━━┫電池負極
而實際真正供電的源泉是電池塑料殼里面的鋰離子電池芯,但是由于鋰離子電芯的"嬌嫩"的特性,比如過充和過放,大電流放電,短路等非常規(guī)動作都會對鋰離子電芯造成極大的傷害.所以保護線路的功能就是在上述非常規(guī)動作發(fā)生時及時的切斷回路.保護鋰離子電芯.而這些保護動作就是圖中的保護IC來判斷,由它來控制一對Mosfet場效應(yīng)管來導通和切斷主供電回路,對鋰離子電芯進行保護.
市面上常用的這種保護IC的生產(chǎn)廠商有SEIKO精工,RICOH理光,Motorala摩托羅拉半導體等.
以精工的S8241系列芯片來具體介紹各項保護功能.
眾所周知,以恒壓充電限制電壓來劃分,鋰離子電池有4.1V恒壓充電和4.2V恒壓充電兩種類型.現(xiàn)在4.1V的版本已經(jīng)很少,絕大多數(shù)是4.2V的恒壓充電類型的.下面的數(shù)據(jù)就只針對4.2V恒壓充電的鋰離子電池來討論.
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保護IC+Mosfet可以實現(xiàn)的功能如下(四大保護):
1.過充保護,當電池芯的電壓超過設(shè)定值時,由保護IC切斷Mosfet管.等電芯電壓回歸到允許的電壓是,重新恢復(fù)Mosfet管的導通.
過充檢測電壓:4.275V+/-0.025V,電芯電壓一超過這個值,就觸發(fā)過充保護
過充釋放電壓:4.175V+/-0.030V,處于過充保護的電芯電壓只有降到這個值時才會停止保護.
過充保護延時:1秒.當電壓持續(xù)超過過充檢測電壓1秒以上才會觸發(fā)過充保護,這個是為了防止誤判和誤操作而設(shè)置的.
2.過放保護,當電池芯的電壓降低得超過設(shè)定值時,由保護IC切斷Mosfet管.等電芯電壓回歸到允許的電壓時,重新恢復(fù)Mosfet管的導通.
過放檢測電壓:2.3V+/-0.08V
過放釋放電壓:2.4V
過放保護延時:125毫秒
參數(shù)的含義與過充保護的類似,不贅述.
3.過流保護,當工作電流超出設(shè)定值時,由保護IC切斷Mosfet管.等工作電流回歸到允許的電壓是,重新恢復(fù)Mosfet管的導通.
過流電流壓降:0.1V,這里保護IC判斷的是電流流過Mosfet而產(chǎn)生的壓降,用這個電壓除于Mosfet的導通阻抗就可以近似得到過流保護的電流.一般在3~5A左右.
過流延時:8毫秒,注意這個延時比前面的幾個過充過放的延時要短許多.
4.短路.其實這個功能是過流保護的擴展,當保護IC檢測電池輸出正負極之間電壓小于規(guī)定值時,認為此時電池處于短路狀態(tài),立即切斷回路.等短路的故障排除再恢復(fù)回路.短路時電池的輸出正負極的電壓為零,而實際電芯的電壓還是正常的.
短路檢測延時:10微秒,這個延時更是短暫,幾乎是短路的瞬間就切斷了回路,可以避免短路對電池帶來的巨大損傷.
還有一個參數(shù),稱為保護IC的自耗,如上圖,可以看到,保護IC是通過電阻R1利用了電芯的電壓來進行工作的.不可避免的要消耗一部分電池的容量.一般保護IC的功耗是做的非常小的.在3微安左右,最大不超過6微安.
在保護回路里面還有一個器件,如上圖標示的Fuse,就是保險絲.它是串聯(lián)在電池的回路中.它的作用是在保護線路失效的情況下,作為最后的防線,對于過流或高溫的鋰離子電池進行切斷回路的動作.該Fuse根據(jù)工作原理分為一次性保險絲(就象家里電表下用的那種)和可恢復(fù)保險絲(又稱為PTC). 有了如此完備的保護線路,一般用戶想用壞鋰離子電池都有點困難.但是這并不是意味著用戶可以隨意的濫用鋰離子電池.同樣有許多的地方是需要注意的.
下圖是根據(jù)鋰離子電池電壓根據(jù)實際使用劃分的幾個區(qū)域.
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高壓危險區(qū)
---------------保護線路過充保護電壓(4.275~4.35V)
高壓警戒區(qū)
---------------鋰離子電池充電限制電壓4.20V
正常使用區(qū)
---------------鋰離子電池放電終止電壓(2.75~3.00V)
低壓警戒區(qū)
---------------保護線路過放保護電壓(2.3~2.5V)
低壓危險區(qū)
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1.在正常使用區(qū)內(nèi).鋰離子電池可以正常發(fā)揮其特性,也沒有危險.
2.高壓警戒區(qū).雖然這個區(qū)域處于保護線路的保護范圍之內(nèi),并不意味著此時鋰離子電池也是安全的.長期處于這種程度的過充,會很快的降低電池的循環(huán)壽命.
據(jù)我測試,將新鋰離子電池充電到4.3V使用可以比充電到4.2V的鋰離子電池提高15%左右的容量,但是在50次循環(huán)以后,其容量衰減到原來的80%,壽命整整縮短了10倍.記得網(wǎng)友battery老兄喜歡把鋰離子電池過充了用,這樣可以暫時提高前幾次循環(huán)的容量,容量不夠了就換一節(jié)新的.我們廣大網(wǎng)友恐怕沒有這個資本,還是老老實實的使用吧.這種低度過充的鋰離子電池往往在幾十次循環(huán)以后就會產(chǎn)生發(fā)鼓等變形.
3.低壓警戒區(qū).處于該區(qū)域的鋰離子電池不適合快速充電,要先用小電流將電池電壓提升到3.0V以上才可以快速充電.否則容易導致鋰離子極性材料發(fā)生不良反應(yīng),影響電池性能.而這個電壓的鋰離子電池也非常容易因為電池本身的自耗和鋰離子保護線路的自耗很快的掉近低壓危險區(qū).那就危險了.而且這個自耗是保護線路無法保護的.
4.低壓危險區(qū),長期處于低壓危險區(qū)的鋰離子電池,性能將近一步惡化.
在低電壓(小于2V)或更低的電壓情況下,正極材料的鈷鋰酸(又稱尖晶石)晶格發(fā)生變化,其晶體機構(gòu)會以枝晶形式生產(chǎn).這種枝晶發(fā)展長大的話會戳穿正負極的隔膜,導致電池微短路.進一步惡化電池的性能.甚至導致電池發(fā)生膨脹,徹底報廢.
5.高壓危險區(qū).此時保護線路已經(jīng)失效,或者根本沒有保護線路.在這個區(qū)域的鋰離子電池(特別是4.8V以上),鋰離子內(nèi)部會發(fā)生劇烈的反應(yīng),產(chǎn)生強大的熱量,導致電池內(nèi)壓正極,使電芯變形,不同于低度過充,這種變化是一次性的,即一次高度過充就可以造成電池發(fā)鼓.甚至爆炸.
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以下是幾點鋰離子電池的與保護線路相關(guān)的注意事項
1.不要試圖直接短路鋰離子電池來強行放電.這樣做只有兩種結(jié)果,一是保護線路起作用,那么什么事也不會發(fā)生.二是保護線路失效,那樣就會造成過流或直接電芯的短路,就會觸發(fā)fuse動作,如果里面也沒有fuse的保護(很多雜牌鋰離子電池就是沒有fuse或PTC),那么這種短路的瞬間電流將達到十幾甚至幾十安培,足以燒毀線路板,使導線發(fā)紅.要是碰上皮膚那就更慘了.
2.不要使用不合格(沒有認證)的充電器或座充,鋰離子電池的充電過充需要嚴格的電壓控制,這點做的不好的充電器會對鋰離子電池造成低度過充,雖然最后有保護線路的保護,但是已經(jīng)過充了.
3.不要在電池兩端加高壓,保護芯片也有極限的承受電壓,一般在12V左右,在往上往往會擊穿保護芯片.
4.不要逆接電池正負極進行充電,同樣會損傷保護IC
5.注意鋰離子電池的使用環(huán)境,潮濕,高溫,靜電會導致保護IC或Mosfet失效的.手機落入水中,在記得吹干手機主板的同時,也要對鋰離子電池進行晾干處理,但不要用電吹風吹干.高溫(60度以上)對鋰離子電池是有害的.
很有趣的是第一點.有興趣的網(wǎng)友可以根據(jù)鋰離子電池保護線路的短路保護功能來測試一下你的保護線路是否有效.最后找一個指針式的直流電流表(5A量程左右),對電池的正負極直接短路,你可以看到電流表指針會動一下并迅速歸零.這就說明在幾個微妙之內(nèi)保護線路已經(jīng)動作了.這是檢測你的鋰離子電池有沒有保護線路的一個簡單有效的辦法.采用數(shù)字式的電流表也行,都要把量程設(shè)成最大的安培檔(2A以上的).
以上談?wù)摰氖菃喂?jié)鋰離子電池的保護線路,不包括串聯(lián)兩節(jié)以上的保護IC,道理大同小異.
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在第一個圖中,我畫了一個標識電阻R2,如果這個電阻是個常規(guī)的定值電阻,那么就是手機用來區(qū)別電池類型用的.三星的手機在隱藏菜單中可以看到這個電阻值.他們的手機用不同的電阻來區(qū)分不同容量的電池(厚薄電)
如果這個電池是個熱敏電阻(NTC),那么它就可以告訴手機或充電器電池的溫度,因此手機或充電器就有了對電池溫度的檢測能力.當電池溫度超出范圍(比如0度~40度以外),手機或座充就不對鋰離子電池進行充電動作.這也是對鋰離子電池的保護.
有些電池會有兩個以上的標識電阻(一個常規(guī)電阻,一個熱敏電阻)或?qū)Ｓ玫淖R別芯片來執(zhí)行這個功能.原理都是一樣的.目的就是確保更好的的使用鋰離子電池.
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