深入剖析一下锂电池保护板的工作原理

拆过手机或者平板的用户，应该都注意过，在手机或者平板的锂电池部分，其上端有一块质地较软且被塑料膜包裹起来的电路板(电池大小不同，电路板尺寸也不一样)。揭开塑料膜，你会发现，其上布置了很多的元器件。

或许会有人问，这块板子究竟有何作用？其实呢，电池模组方面，没了这块电路板，还真没人敢用了！

关于锂电池的充放电，高中化学我们就学过，其主要依靠离子在正负极的移动来完成的。充放电过程中，离子在两极之间往返嵌入和脱嵌。充电时，正极会生成锂离子,离子从正极嵌脱通过电解液进入负极，负极处于富锂状态。放电则反之。然而在不加上述图中的保护板的话，即很有可能会出现过充与过放。过充即正极离子转移太多，过放即负极离子转移过多。

无论是电池的过充还是过放，对电池的伤害都很大，同时也给用户带来了潜在的危害性。所以，为了避免电池的过充与过放，电池厂家往往会在电池上方加上这么一块保护板，以避免过充，过放等对电池产生损坏的影响的发生。

也正是由于电路保护板的存在，使得锂电池在正常使用时，很难出现过充与过放的现象。通常情况下，锂电池的充电的终止电压为4.2V，即电池充满时的电池电压为4.2V。而电路板设置的保护电压往往会比这个高，有的为4.5V，当因意外造成使得充电电池电压超过4.5V即为过充。放电的截止电压为3.0V，而电路板设置的保护的电压比这个低，有的为2.8V，当因意外放电放到2.8V以下，此时为过放。

图示为我画的简单的电路板原理图的设计，简单到不能再简单了。P+,P-为电池连接器上的VBAT+与VBAT-即主要与外界直接联系的供电(图一的红黑两条线)。U1为控制IC芯片。根据外部电压的变化，作出判断，进而打开或者关闭Q1,Q2 MOS管，以保证电路的正常工作与断开。B+，B-为电池电芯的正负极。ID与TH均为选配，并不是每个电池保护板都有。ID方面，MCU通过读取ID管脚电阻的阻值来获悉电池的类型信息。TH端接的是一个NTC电阻，根据NTC电压，利用ADC转换，可获取其最终对应的温度值，以保证在电池高温时可以停止充电并关机。

下面讲一下，电池在不同的状态下，电路板的工作情况：

1. 正常工作状态
在正常工作状态下，电路中U1的”CO”与“DO”都是高电平输出，两个MOS管都正常导通。构成了完整的回路，电池可以正常的进行充电与放电。且MOS管的导通电阻很小，在10毫欧左右。其导通电阻对电路的性能影响很小。

2. 过充保护
电池在充电过程中分为三个阶段，分别为涓流充电，恒流充电以及恒压充电。涓流充电即充电使得电芯电压达到规格书中的要求电压，一般为3V，这个过程的电流非常的小。待电池电压充电达到3.0V以后，便进入恒流充电，此时电流恒定，电压不断增大。当电压值增大到4.2V时，转换为恒压充电，此时电流会越来越小直至充满。(里面的电压值根据要求的不同，电压值也略有差异)

电池在充电的过程中，如果充电电路因意外失去控制，使得电芯电压超过4.2V且满足过充电压的延时时间时，即进入过充状态，这个时候是比较危险的。

但是如果有了保护板，就不用担心了。其上的控制IC会检测VDD-VSS压差，当压差超过保护值时，IC控制“CO”脚将由高电平转换为低电平，此时MOS管关断，形成断路，从而起到了充电保护的作用。

控制IC在检测到电池电压超过规定值关断MOS管这一过程，存在一定的延时，目的是为了避免因干扰而造成误判，同时在平板电池方面，延迟一般为1s。

遇到过充恢复的措施
a. P+与P-接上负载，因为MOS管自带体二极管，电池会通过二极管构成回路对外放电，直至放电到正常电压，MOS管导通即可继续使用。
b. B+与B-接上负载，使得电芯两端电压下降到保护IC的过充恢复电压。

3. 过放保护
电池在对外部负载放电时，电压会不停的降低。当电池将至设定值时(一般为3.0V)，其电池容量会放光。
放电过程中，当出现过放，即放电至3.0V后，电池还在放电，且达到保护板设定的电压值时(一般为2.8V)，控制IC检测电芯电压后，将“DO”脚将有高电平转换为零电平，使得Q2mos管关断，从而切断放电回路，此时电池无法对负载进行放电，起到了保护的作用。

遇到过放恢复的办法
由于Q2体二极管的存在，可通过插入充电器，通过体二极管对电池进行充电，恢复至电芯2.8V后解除保护板的保护，MOS管导通，形成完整回路，电池达到3.0V后开机。

4. 过流保护
由于锂电子电池的化学特性，电池厂家对充电与放电电流均设置了上限，当超过这个上限时，将会导致电池的永久性损坏。

拿放电举例子，电池在正常放电时，放电电流会经过串联在一起的MOS管，由于MOS管自身存在导通阻抗，其两端产生一个电压，电压值为U=IRds2，Rds为单个MOS管的导通阻抗。控制IC上的脚会对VM脚的电压值不断的检测。若负载因为某种原因导致回路电流过大，使得MOS管的导通压降大于规定值时，其“DO”脚将会由高电平转换为零电平，使得Q2 MOS管关断，从而切断回路，使得回路电流为0，起到过电流保护作用。

5. 短路保护
电池在对负载放电时，若回路电流大到使得VM脚检测到的电压值大于规定值时，控制IC则判断为负载短路，其“DO”脚将迅速由高电平转换为零电平，使得Q2 MOS管由导通变为关断，从而切断放电回路，起到短路保护的作用。短路保护的延时时间较短，通常是微秒级别。且短路保护的电流值远大于过流保护的电流值。

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