CMD1402為鋰電池保駕護(hù)航
CMD1402為鋰電池保駕護(hù)航
便攜式穿戴設(shè)備的更新迭代不斷地促進(jìn)著鋰電池保護(hù)技術(shù)的發(fā)展與成熟，與此同時(shí)，隨著低功耗半導(dǎo)體元器件的飛速發(fā)展，使得鋰電池電路在靜態(tài)下的功耗進(jìn)一步降低，優(yōu)秀的優(yōu)值系數(shù)更是提高了鋰電池在動(dòng)態(tài)條件下電能的有效轉(zhuǎn)換率，從而延長(zhǎng)了負(fù)載的工作時(shí)間。
鋰電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)
鋰電池充放電過(guò)程就是離子在兩個(gè)電極之間做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。充電時(shí)，正極會(huì)電解出鋰離子,鋰離子從正極流出通過(guò)電解液進(jìn)入負(fù)極，在負(fù)電極鋰離子處于富集狀態(tài)。放電狀態(tài)時(shí)鋰離子運(yùn)動(dòng)則相反。試想，如果對(duì)過(guò)程中鋰離子運(yùn)動(dòng)不加以限制的話(huà)，將導(dǎo)致在charge過(guò)程中正極離子轉(zhuǎn)移太多，在discharge過(guò)程中負(fù)極離子轉(zhuǎn)移過(guò)多。容易造成過(guò)充與過(guò)放的危險(xiǎn)。無(wú)論電池的過(guò)充還是過(guò)放，不僅對(duì)電池正常使用造成極大的損害，同時(shí)也給電池使用對(duì)象構(gòu)成極大威脅。所以，有必要對(duì)這種電化學(xué)反應(yīng)經(jīng)行精準(zhǔn)干預(yù)，這種干擾往往通過(guò)在電池外圍增加干擾電路，習(xí)慣叫做電路保護(hù)電路，電路保護(hù)板。
鋰電池保護(hù)機(jī)理
下圖是某單節(jié)鋰電池保護(hù)芯片參數(shù)，
由于電路保護(hù)板的存在，使得充放電過(guò)程得到有效精準(zhǔn)的控制，保障了鋰電池的正常工作。通常，單節(jié)鋰電池最大充電電壓值為4.2V左右，保護(hù)電路設(shè)置的保護(hù)電壓值相對(duì)會(huì)較高，一般為4.5V，當(dāng)鋰電池充電電壓超過(guò)4.5V即為過(guò)充。放電的門(mén)限電壓為2.7V，保護(hù)電路設(shè)置的保護(hù)電壓相對(duì)較低，有的為2.2V，當(dāng)對(duì)外放電至2.2V以下，即為過(guò)放。
圖一是基于CMD1402設(shè)計(jì)的鋰電池保護(hù)原理圖。P+與P-為電池連接器上的VBAT+與VBAT-即主要與負(fù)載直接連接供電。U1為保護(hù)控制芯片。通過(guò)與其構(gòu)成的檢測(cè)回路反饋的信號(hào)，作出判斷，進(jìn)而打開(kāi)或者關(guān)閉MOS管開(kāi)關(guān)1和MOS管開(kāi)關(guān)2，以保證充放電的正常工作。B+，B-為電池電芯的正負(fù)極。ID方面，MCU通過(guò)讀取ID管腳電阻的阻值來(lái)獲悉電池的類(lèi)型信息。TH端接的是一個(gè)NTC電阻，根據(jù)NTC電壓，利用AC/DC數(shù)模轉(zhuǎn)換，獲取對(duì)應(yīng)的溫度值，從而保障電池在高溫時(shí)可以停止充電。
CMD1402為鋰電池保駕護(hù)航
核心優(yōu)勢(shì)
CMD1402是一款擊穿電壓BVDSS=20V溝槽工藝場(chǎng)效應(yīng)晶體管，具有能夠承擔(dān)一定功率的能力，提供TO-252、TO-251兩種封裝，封裝如圖所示，這兩種封裝都具有優(yōu)秀的散熱設(shè)計(jì),保障其在大電流高功率導(dǎo)通工作條件下不發(fā)熱。閾值電壓VGS(th)不超過(guò)1.2V,低閾值電壓使其驅(qū)動(dòng)電路變的簡(jiǎn)單，可以直接用控制芯片IC驅(qū)動(dòng)。擊穿電壓BV=20V,用于鋰電池保護(hù)電路中凸顯出經(jīng)濟(jì)性。另外，CMD1402還具有相對(duì)較強(qiáng)的GFS跨導(dǎo)特性，使得工作在不同的工作區(qū)域（線(xiàn)性區(qū)，恒流區(qū)，截至區(qū)），都能有相對(duì)寬的偏置電壓被控制。漏源電流可達(dá)到50A，在低壓情況下具有卓越的功率輸送能力，除了適用于鋰電池，還可用在小功率電機(jī)，電源DC模塊，太陽(yáng)能控制器也是不二選擇。
降低能耗：
在鋰電池保護(hù)中電路中，低功耗尤為重要。CMD1402低的飽和導(dǎo)通內(nèi)阻（RDSON僅為4.1mΩ）實(shí)現(xiàn)了極低的功耗，使其在電路應(yīng)用中，無(wú)論是靜態(tài)待機(jī)狀態(tài)還是動(dòng)態(tài)工作過(guò)程均有效降低電池電能損耗。低功耗設(shè)計(jì)不僅延長(zhǎng)了電池續(xù)航時(shí)間，還對(duì)提升電池及設(shè)備整體運(yùn)行效率至關(guān)重要。
電路板的工作情況：
1. 正常工作狀態(tài)
在正常工作狀態(tài)下，電路中U1的“CO”與“DO”都輸出高電平，兩個(gè)MOS管都導(dǎo)通，構(gòu)成了回路，電池便可以進(jìn)行充電與放電。CMD1402 MOS管的導(dǎo)通電阻只有4.1MΩ左右。
2. 過(guò)充保護(hù)
電池在充電過(guò)程中分為三個(gè)階段，分別為涓流充電，恒流充電以及恒壓充電。涓流充電即充電使得電芯電壓達(dá)到規(guī)格書(shū)中的要求電壓，一般為3V，這個(gè)過(guò)程MOS管工作在線(xiàn)性區(qū)，溝道打開(kāi)較小，MOS電阻較大，電流非常的小。待電池電壓充電達(dá)到3.0V以后，便進(jìn)入恒流充電，此時(shí)電流恒定，電壓不斷增大。當(dāng)電壓值增大到4.2V時(shí)，轉(zhuǎn)換為恒壓充電，此時(shí)電流會(huì)越來(lái)越小直至充滿(mǎn)。(充電電壓根據(jù)控制芯片U1的不同，電壓值也略有差異)
有了鋰電池保護(hù)板，就不用擔(dān)心這些問(wèn)題。保護(hù)板控制IC會(huì)檢測(cè)VDD-VSS壓差，當(dāng)壓差超過(guò)保護(hù)值時(shí)，IC控制“CO”腳將由高電平轉(zhuǎn)換為低電平，此時(shí)MOS管關(guān)斷，形成斷路，從而起到了充電保護(hù)的作用。
控制IC在檢測(cè)到電池電壓超過(guò)規(guī)定值關(guān)斷MOS管這一過(guò)程，存在一定的延時(shí)，目的是為了避免因干擾而造成誤判，同時(shí)在電池方面，延遲一般為1s左右。
3. 過(guò)放保護(hù)
電池在接上負(fù)載放電時(shí)，電壓會(huì)一直下降。當(dāng)電池電壓低至設(shè)定值時(shí)(一般為2.7V)，其電池容量被預(yù)設(shè)系統(tǒng)判定為O。放電過(guò)程中，當(dāng)出現(xiàn)過(guò)放，即放電至2.7V后，電池還在放電，且達(dá)到保護(hù)板設(shè)定的電壓值時(shí)(一般為2.5V)，控制IC檢測(cè)電芯電壓后，將“DO”腳將由高電平轉(zhuǎn)換為低電平，使得充電管理mos管關(guān)斷，從而切斷放電回路，此時(shí)電池?zé)o法對(duì)負(fù)載進(jìn)行放電，起到了保護(hù)的作用。
遇到過(guò)放恢復(fù)的辦法
充電側(cè)MOS管存在體二極管，連接充電器，通過(guò)體二極管對(duì)電池進(jìn)行充電，恢復(fù)至電芯2.5V后解除保護(hù)板的保護(hù)，MOS管導(dǎo)通，形成完整回路，電池達(dá)到2.7V后開(kāi)機(jī)。
4. 過(guò)流保護(hù)
根據(jù)鋰電池的電化學(xué)特性，在出廠之前電池廠家對(duì)充電與放電電流進(jìn)行設(shè)限，當(dāng)超過(guò)這個(gè)上限時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致電池的永久性損壞。
例如，放電過(guò)程，電池在正常放電時(shí)，放電電流會(huì)經(jīng)過(guò)串聯(lián)在一起的MOS管，由于MOS管自身存在導(dǎo)通阻抗，其兩端產(chǎn)生一個(gè)電壓，電壓值為U=2*I*RDSON，RDSON為單個(gè)MOS管的導(dǎo)通阻抗。控制IC會(huì)對(duì)VM腳的電壓值不斷的檢測(cè)。若負(fù)載因?yàn)槟撤N原因?qū)е禄芈冯娏鬟^(guò)大，使得MOS管的導(dǎo)通壓降大于規(guī)定值時(shí)，其“DO”腳將會(huì)由高電平轉(zhuǎn)換為低電平，使得充電管理MOS管關(guān)斷，從而切斷回路，使得回路電流為0，起到過(guò)電流保護(hù)作用。
5. 短路保護(hù)
電池在對(duì)負(fù)載放電時(shí)，若回路電流大到使得VM腳檢測(cè)到的電壓值大于規(guī)定值時(shí)，控制IC則判斷為負(fù)載短路，其“DO”腳將迅速由高電平轉(zhuǎn)換為低電平，使得Q充電管理MOS管由導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷，從而切斷放電回路，起到短路保護(hù)的作用。短路保護(hù)的延時(shí)時(shí)間較短，通常是微秒級(jí)別。且短路保護(hù)的電流值遠(yuǎn)大于過(guò)流保護(hù)的電流值。
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