基于MAX1666的Li+電池保護(hù)電路

摘要：詳細(xì)介紹了Li+電池的主要特性其在實(shí)際應(yīng)用中所需要保護(hù)的參數(shù)；結(jié)合Maxim公司生產(chǎn)的Li+電池保護(hù)器MAX1666，給出了具體的應(yīng)用電路。

關(guān)鍵詞：Li+電池 NiMH/NiCd 保護(hù)器 充電 放電 電流 電壓

近幾年來(lái)，隨著各種便攜式設(shè)計(jì)（如手機(jī)、筆記本電腦、攝像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、PDA等）的不斷推出，對(duì)電池的要求也隨之提高。以前，在這類(lèi)應(yīng)用中，NiMH電池NiCd電池以其低價(jià)格占有較大優(yōu)勢(shì)；但隨著便攜式設(shè)備對(duì)體積/重量的要求越來(lái)越苛刻，工作和待機(jī)時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)以及Li+電池成本的不斷降低，使Li+電池的優(yōu)勢(shì)性能在這類(lèi)應(yīng)用中得以充分的展示，被廣大電子設(shè)計(jì)工程師和消費(fèi)者所接受。預(yù)計(jì)隨著Li+電池性能的不斷提高和成本的進(jìn)一步降低，Li+電池將在許多應(yīng)用中取代NiMH和NiCd電池。

Li+電池與NiMH/NiCd電池相比，其主要優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

·能量密度高

Li+電池的重量密度為90W-小時(shí)/千克，體積密度為210W-小時(shí)/升）；而LiMH電池和NiCd電池的重量密度分別為55W-小時(shí)/千克和50W-小時(shí)/千克，體積密度分別為180W-小時(shí)/升和140W-小時(shí)/升。從以上典型值可知，在相同電池容量的情況下，Li+電池的重量可以輕一倍，體積可以更??；換言之，如果在相同的電池重量下，Li+電池工作的時(shí)間可以多出一倍。

·單節(jié)電池電壓高

單節(jié)Li+電池的標(biāo)稱(chēng)電壓值為3.6V，而單節(jié)NiMH/NiCd電池的標(biāo)稱(chēng)電壓只有1.2V，僅相當(dāng)于Li+電池電壓的1/3。正是由于Li+電池具有較高的輸出電壓（允許電壓范圍：2.7V～4.2V），所以目前已經(jīng)有許多微處理器被設(shè)計(jì)成工作于此電壓范圍，而無(wú)需額外的電壓轉(zhuǎn)換器，如TI的MSP430系列、Microchip的PIC16LCXX/PIC16LFXX系列，從而降低了系統(tǒng)成本。

·自放電小

Li+電池典型的自放電系數(shù)為5～10%/月（20℃）；而NiMh電池和NiCd電池的自放電系數(shù)分別為20～30%/月（20℃）和15～20%/月（20℃），并且在充電后幾天內(nèi)放電速率更快，同時(shí)放電速率也隨溫度升高而顯著增加。

·溫度特性好

Li+電池允許充電的溫度范圍為0～50℃，與NiMH/NiCd電池允許充電溫度范圍相同。但它們?cè)试S的快速充電溫度范圍卻不相，Li+電池快速充電溫度范圍為+2.5℃～+47.5℃，而NiMH/NiCd電池只有10～40℃的快速充電范圍。在充電時(shí)，若溫度>40℃，Li+電池充電效率幾乎不變；而NiMH/NiCd電池需要200～300%的電池總能量才能充滿(mǎn)電池。在放電時(shí)，Li+電池允許的工作溫度范圍為-20℃～+60℃，并且在這個(gè)溫度范圍內(nèi)，其輸出的電池總?cè)萘繋缀醪蛔儯?℃時(shí)輸出電池總?cè)萘康?0%左右；-20℃時(shí)為總?cè)萘康?0%；而對(duì)于NiMH/NiCd電池來(lái)說(shuō)，其放電容量隨溫度變化較大，尤其是在高溫時(shí)性能更差，例如在40℃時(shí)，只能輸出總?cè)萘康?0%左右。

但是Li+電池也有自身的缺陷，例如在電池過(guò)充電或過(guò)放電時(shí)，電池可能完全損壞等。

本文鈄針對(duì)Li+電池的特性，采用Maxim公司的Li+電池組保護(hù)器，提供一個(gè)具有優(yōu)異性能/價(jià)格比、功能完善的Li+電池組保護(hù)器的設(shè)計(jì)方案。若用戶(hù)采用的單節(jié)Li+電池，可參考使用RICOH公司的RN5VM1XXC/D系列的單節(jié)Li+電池保護(hù)器，由于篇幅的原因，不再贅述。

1 Li+電池的放電/充電及其保護(hù)

當(dāng)Li+電池工作在放電狀態(tài)時(shí)，應(yīng)該避免電池過(guò)放電（電壓低于2.4V；實(shí)際使用時(shí)，最低電壓一般設(shè)定在2.7V以上），否則將導(dǎo)致內(nèi)部電極氧化，使電池完全損壞；另外，由于Li+電池有較高的能量密度，絕對(duì)禁止輸出短路或過(guò)流，否則將導(dǎo)致電池內(nèi)部著火，甚至引起爆炸。圖1是Li+電池典型的放電曲線(xiàn)。

當(dāng)對(duì)Li+電池充電時(shí)，應(yīng)該保證在快速充電之前，電池電壓高于2.5V，否則會(huì)損壞電池；若不滿(mǎn)足此條件，則最好采用小于1/10cA的充電電流預(yù)充至2.5V或2.5V以上，再進(jìn)入快速充電狀態(tài)。在快速充電過(guò)程中，采用限流方式充電，電流一般小于1cA；一旦達(dá)到電壓調(diào)節(jié)點(diǎn)4.2V±50mV，即進(jìn)入恒壓充電方式（多數(shù)Li+電池生產(chǎn)廠(chǎng)家建議憐惜速充電電流小于1cA，恒壓充電電壓為4.2V±50mV，這里指負(fù)極為硬炭的Li+電池；而對(duì)于負(fù)極為石墨的Li+電池來(lái)說(shuō)，則為4.1V，正電極都為氧化鈷鋰），當(dāng)充電電流降低至1/10cA以下時(shí)，可以認(rèn)為滿(mǎn)充結(jié)束。對(duì)于Li+電池來(lái)說(shuō)，如果過(guò)充電，即電池電壓高于4.2V，內(nèi)部電極也將引起氧化，導(dǎo)致電池容量降低或完全損壞，這也是為什么Li+電池采恒流-恒壓充電的原因。圖2是Li+電池充電的電流和電壓典型曲線(xiàn)。

依據(jù)上述Li+電池的充電/放電特性，一款功能完善的Li+電池保護(hù)電路必須具備以下保護(hù)功能：

（1）過(guò)壓保護(hù)，防止電池過(guò)充電電；

（2）欠壓保護(hù)，防止電池過(guò)放電；

（3）充電限流保護(hù)；

（4）放電限流/短路保護(hù)；

（5）對(duì)于Li+電池組的應(yīng)用，每節(jié)電池電壓是否匹配檢測(cè)和保護(hù)。

另外，如果Li+電池充電器沒(méi)有小電池預(yù)充功能，則保護(hù)器應(yīng)該具備涓流充電功能，即在電池電壓過(guò)低時(shí)，充電/放電通道已被禁止，而允許涓流預(yù)充電池，使電池電壓上升，以達(dá)到快速充電的條件。

2 MAX1666主要特性及其典型應(yīng)用

MAX1666S/V/X是一種功能完善、配置靈活的2/3/4節(jié)Li+電池組保護(hù)器。用戶(hù)能夠根據(jù)實(shí)際情況，精確的設(shè)定各保護(hù)參數(shù)的門(mén)限值，為L(zhǎng)i+電池組提供更為可靠地保護(hù)；另外，MAX1666還提供電池間電壓不平衡保護(hù)、涓流充電以及電池組的狀態(tài)輸出。MAX1666主要電氣特性：最高+28V工作電壓、工作電流28μA、待機(jī)電流小于1μA，采用節(jié)省空間的QSOP封裝。圖3是MAX1666X的典型應(yīng)用電路。

MAX1666提供的電流/電壓保護(hù)及其保護(hù)門(mén)限設(shè)定方法如下：

（1）過(guò)壓保護(hù)

電池過(guò)壓保護(hù)門(mén)限VOVT設(shè)定范圍：+4.0V～+4.4V，精度±0.5%。OVA引腳連接至R1和R2組成的REF分壓器端，則過(guò)壓保護(hù)門(mén)限VOVT滿(mǎn)足以下方程：

R2=[(VOVT-4V)/(4.4V-4V)]×RTOTAL

R1=RTOTAL-R2，可以取RTOTAL=1MΩ

當(dāng)過(guò)壓保護(hù)發(fā)生作用時(shí)，充電和涓流對(duì)應(yīng)的兩個(gè)P-MOSFET均關(guān)閉，同時(shí)輸出報(bào)警信號(hào)。

（2）欠壓保護(hù)

電池欠墳保護(hù)門(mén)限VUVT設(shè)定范圍：+2.0V～+3.0V，精度±2.5%。UVA引腳連接至R3和R4組成REF分壓器端，則欠壓保護(hù)門(mén)限VUVT滿(mǎn)足以下方程：

R4=[(VUVT-2V)]/(3V-2V)]×RTOTAL

R3=RTOTAL-R4,可以取RTOTAL=1MΩ

當(dāng)欠壓保護(hù)發(fā)生作用時(shí)，放電和充電對(duì)應(yīng)的兩個(gè)P-MOSFET均關(guān)閉，但涓流對(duì)尖的P-MOSFET仍然保持開(kāi)通。欠壓報(bào)警信號(hào)WRN在電池電壓低于VUVT+100mV輸出，高時(shí)VUVT+300mV解除。

（3）

電池間電壓不平衡保護(hù)

電池間電壓不平衡保護(hù)門(mén)限VCMT設(shè)定范圍：0mV～500mV，精度±10%。MMA引腳連接至R5和R6組成的REF分壓器端，則VCMT滿(mǎn)足以下方程：

R6=(VCMT/500)×RTOTAL

R5=RTOTAL-R^，可以取RTOTAL=1MΩ

當(dāng)任何兩節(jié)電池的電壓差超出此保護(hù)門(mén)限時(shí)，涓流充電、快速充電和放電對(duì)應(yīng)的三個(gè)P-MOSFET均關(guān)閉，保護(hù)器輸出電池組失效信號(hào)PKF。

（4）充電/放電過(guò)流保護(hù)

充電過(guò)流保護(hù)門(mén)限：GND比PKN電動(dòng)勢(shì)高200mV，對(duì)應(yīng)電流=200mV/RSENSE；放電過(guò)流保護(hù)門(mén)限：PKN比GND電動(dòng)勢(shì)高300mV，對(duì)應(yīng)電流=300mV/RSENSE。

當(dāng)過(guò)流情況發(fā)生時(shí)，充電和放電對(duì)應(yīng)的P-MOSFET關(guān)斷。同時(shí)啟動(dòng)內(nèi)部559ms的定時(shí)器，550ms后，再次打開(kāi)MOSFET，以便檢測(cè)過(guò)流情況是否存在。如果故障仍然存在，則殖民地次關(guān)閉MOSFET，此過(guò)程不斷重復(fù)進(jìn)行。

圖3為四節(jié)Li+電池組提供功能完善、性能可靠的電池電壓/電流保護(hù)。圖中設(shè)定的各參數(shù)的保護(hù)門(mén)限分別為：

VOVT=4.2V,VUVT=2.5V,VCMT=250mV,充電電流門(mén)限=4A,放電電流門(mén)限=6A.

實(shí)際使用中，可根據(jù)Li+電池組具體參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。另外，調(diào)整電阻R8（270Ω），可以設(shè)定涓流充電電流。，以條例實(shí)際Li+電池所允許的預(yù)充電流及續(xù)充電流。圖中的三個(gè)P-MOSFET可采用IRF7404、IRF7406、Si4431或其它參數(shù)相似的型號(hào)。