鋰離子電池保護(hù)器MAX1894/MAX1924應(yīng)用

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

1引言

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

發(fā)生故障時(shí)，芯片內(nèi)的驅(qū)動(dòng)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(wú)需外接上拉電阻，各種過(guò)流和短路保護(hù)由一只電流取樣電阻實(shí)現(xiàn)，所有保護(hù)門(mén)限值和各種保護(hù)延遲時(shí)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(guò)程中，任何一只單體電池的電壓低于過(guò)放電保護(hù)門(mén)限值時(shí)，器件立即切斷負(fù)載，防止電池組因過(guò)放電而損壞。電池組充電過(guò)程中，任一單體電池的電壓低于過(guò)放電保護(hù)電壓時(shí)，不允許快速充電。此時(shí)，外接的涓流充電控制MOSFET導(dǎo)通，通過(guò)MOSFET和一只串聯(lián)電阻對(duì)電池組進(jìn)行涓流充電。

工作中，外部微處理器控制器件的兩個(gè)邏輯電平輸入腳，外加低電平時(shí)，保護(hù)器正常工作，外加高電平時(shí)，外接的3只MOSFET關(guān)斷，器件進(jìn)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(hù)，各種保護(hù)門(mén)限沒(méi)有滯后時(shí)間，過(guò)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(hù)，過(guò)充電電壓設(shè)置為4.35V，具有一定滯后時(shí)間。MAX1924V用于3只串聯(lián)鋰電池組保護(hù)，過(guò)充電電壓設(shè)置為4.35V，并且各種保護(hù)門(mén)限值都具有一定的滯后時(shí)間。

2主要特點(diǎn)和參數(shù)

1）單體電池過(guò)壓保護(hù)過(guò)壓保護(hù)值設(shè)在4V～4.4V之間，過(guò)充電保護(hù)電壓精度0.5％；

2）單體電池欠壓保護(hù)欠壓保護(hù)值設(shè)在2V～3.2V之間，過(guò)放電保護(hù)電壓精度0.5％；

3）充放電過(guò)流保護(hù)和電池組短路保護(hù)過(guò)流保護(hù)值由外接電流取樣電阻設(shè)定。

4）自動(dòng)涓流充電電池組過(guò)放電后，單體電池的電壓低于欠壓保護(hù)值，必須先涓流充電，待電壓高于欠壓保護(hù)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(dòng)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(zhǎng)期存放時(shí)，因自放電電流過(guò)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(hù)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(hù)3串鋰電池組時(shí)，應(yīng)將B4P與B3P腳短路；

腳2（Vcc）電源輸入腳，通過(guò)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(diǎn)，應(yīng)用時(shí)懸空；

腳5（B2P）接第2只單體電池的正極；

腳6（IC2）內(nèi)部接點(diǎn)，應(yīng)用時(shí)懸空；

腳7（B1P）接第1只單體電池的正極；

腳8（IC1）內(nèi)部接點(diǎn)，應(yīng)用時(shí)懸空；

腳9（BN）接第1只單體電池負(fù)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(fù)極，電流取樣電阻Rsense接在BN和PKN之間；

腳11（CTL）外部控制信號(hào)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(shí)保護(hù)器正常工作，加高電平時(shí)若電池組未接入充電器，保護(hù)電路進(jìn)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(diǎn)，提供DSO、TKO和CGO驅(qū)動(dòng)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(cè)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(dòng)電路等部分組成。

單體電池電壓選擇器可以交替檢測(cè)四只單體電池的電壓，該電壓與過(guò)壓、欠壓門(mén)限值經(jīng)比較器比較后，誤差信號(hào)經(jīng)狀態(tài)機(jī)送入故障邏輯電路。如果各單體電池的電壓均在過(guò)壓值以下，欠壓門(mén)限值以上，驅(qū)動(dòng)器可輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使快速充放電控制MOSFET導(dǎo)通，電池組正常充放電。如果任意一個(gè)單體電池的電壓高于過(guò)充電門(mén)限值，驅(qū)動(dòng)器輸出信號(hào)使快速充電控制MOSFET關(guān)斷，電池組停止工作。如果任意一個(gè)單體電池的電壓低于過(guò)放電保護(hù)門(mén)限值，驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(guò)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(shí)器后，也加到故障邏輯電路，故障邏輯電路通過(guò)驅(qū)動(dòng)器控制外接的MOSFET。當(dāng)充電電流過(guò)大時(shí)，充電控制MOSFET關(guān)斷，當(dāng)放電電流過(guò)大時(shí)，放電控制MOSFET關(guān)斷，因而可防止電池組因充放電電流過(guò)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(dāng)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(guò)放電）保護(hù)值時(shí)，則器件進(jìn)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(méi)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(kāi)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(jìn)入取樣狀態(tài)，開(kāi)始檢測(cè)每只單體電池的電壓，判斷是否過(guò)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(guò)流或電池組短路故障。

5設(shè)計(jì)程序

5．1涓流充電電路設(shè)計(jì)

MAX1894/MAX1924組成的鋰電池保護(hù)電路有兩個(gè)充電控制電路：快速充電電路和涓流充電電路。充電過(guò)程中，若有一只或多只單體電池的電壓低于欠壓保護(hù)門(mén)限值，則腳TKO變?yōu)榈碗娖?，外接涓流充電MOSFET導(dǎo)通，電池組開(kāi)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(guò)充保護(hù)MOSFET的柵極，如圖5所示。充電器接入該保護(hù)電路后，如一只或多只單體電池的電壓低于過(guò)放電門(mén)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(guò)放電門(mén)限電壓。

5．2MOSFET驅(qū)動(dòng)器保護(hù)電路

電路中三只外接MOSFET的源極都接在腳SRC。當(dāng)MOSFET關(guān)斷時(shí)，不要外接上拉電阻就可將柵極電壓提升到腳SRC的電壓；當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時(shí)，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(méi)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(cè)所有電流故障并決定故障電流值。

充電過(guò)流保護(hù)門(mén)限值IOC為

IOC=（1）

過(guò)放電過(guò)流保護(hù)門(mén)限值IOD為

IOD=（2）

電池組短路電流門(mén)限值IPS為

IPS=（3）

根據(jù)以上各式可選擇適當(dāng)?shù)娜与娮柚?。?shí)際應(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?cái)?shù)；

NP電池組并聯(lián)電池?cái)?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(dāng)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(kāi)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(hào)的MOSFET，涓流充電控制MOSFET可選用小信號(hào)型MOSFET。由于器件內(nèi)部的MOSFET驅(qū)動(dòng)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(jì)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(jì)

工作過(guò)程中電池組嚴(yán)重過(guò)載（如電池組短路）時(shí)，電壓將低于Vcc欠壓鎖定門(mén)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(cè)電路，如圖4圖5電路所示，可保證電池電壓瞬變時(shí)，保護(hù)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(jià)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(shí)為了檢測(cè)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(shí)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(hù)與濾波

為了檢測(cè)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(dāng)相鄰兩個(gè)單體電池電壓輸入腳短路時(shí)，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(guò)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(hù)電壓高達(dá)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(dòng)作。

6結(jié)語(yǔ)

由MAX1894/MAX1924構(gòu)成的鋰離子電池組保護(hù)器電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，保護(hù)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。

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