電池電路工作原理電路具有過充電保護(hù)、過放電保護(hù)、過電流保護(hù)與短路保護(hù)功能，其工作原理分析如下：

　　1、正常狀態(tài)在正常狀態(tài)下電路中N1的“CO”與“DO”腳都輸出高電壓，兩個(gè)MOSFET都處于導(dǎo)通狀態(tài)，電池可以自由地進(jìn)行充電和放電，由于MOSFET的導(dǎo)通阻抗很小，通常小于30毫歐，因此其導(dǎo)通電阻對(duì)電路的性能影響很小。7|此狀態(tài)下保護(hù)電路的消耗電流為μA級(jí)，通常小于7μA。

　　2、過充電保護(hù)鋰離子電池要求的充電方式為恒流/恒壓，在充電初期，為恒流充電，隨著充電過程，電壓會(huì)上升到4.2V(根據(jù)正極材料不同，有的電池要求恒壓值為4.1V)，轉(zhuǎn)為恒壓充電，直至電流越來越小。電池在被充電過程中，如果充電器電路失去控制，會(huì)使電池電壓超過4.2V后繼續(xù)恒流充電，此時(shí)電池電壓仍會(huì)繼續(xù)上升，當(dāng)電池電壓被充電至超過4.3V時(shí)，電池的化學(xué)副反應(yīng)將加劇，會(huì)導(dǎo)致電池?fù)p壞或出現(xiàn)安全問題。

　　在帶有保護(hù)電路的電池中，當(dāng)控制IC檢測(cè)到電池電壓達(dá)到4.28V(該值由控制IC決定，不同的IC有不同的值)時(shí)，其“CO”腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷?，使V2由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷了充電回路，使充電器無法再對(duì)電池進(jìn)行充電，起到過充電保護(hù)作用。而此時(shí)由于V2自帶的體二極管VD2的存在，電池可以通過該二極管對(duì)外部負(fù)載進(jìn)行放電。在控制IC檢測(cè)到電池電壓超過4.28V至發(fā)出關(guān)斷V2信號(hào)之間，還有一段延時(shí)時(shí)間，該延時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)短由C3決定，通常設(shè)為1秒左右，以避免因干擾而造成誤判斷。

　　3、過放電保護(hù)電池在對(duì)外部負(fù)載放電過程中，其電壓會(huì)隨著放電過程逐漸降低，當(dāng)電池電壓降至2.5V時(shí)，其容量已被完全放光，此時(shí)如果讓電池繼續(xù)對(duì)負(fù)載放電，將造成電池的永久性損壞。在電池放電過程中，當(dāng)控制IC檢測(cè)到電池電壓低于2.3V(該值由控制IC決定，不同的IC有不同的值)時(shí)，其“DO”腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷海筕1由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷了放電回路，使電池?zé)o法再對(duì)負(fù)載進(jìn)行放電，起到過放電保護(hù)作用。而此時(shí)由于V1自帶的體二極管VD1的存在，充電器可以通過該二極管對(duì)電池進(jìn)行充電。

　　由于在過放電保護(hù)狀態(tài)下電池電壓不能再降低，因此要求保護(hù)電路的消耗電流極小，此時(shí)控制IC會(huì)進(jìn)入低功耗狀態(tài)，整個(gè)保護(hù)電路耗電會(huì)小于0.1μA。在控制IC檢測(cè)到電池電壓低于2.3V至發(fā)出關(guān)斷V1信號(hào)之間，也有一段延時(shí)時(shí)間，該延時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)短由C3決定，通常設(shè)為100毫秒左右，以避免因干擾而造成誤判斷。

　　4、過電流保護(hù)由于鋰離子電池的化學(xué)特性，電池生產(chǎn)廠家規(guī)定了其放電電流最大不能超過2C(C=電池容量/小時(shí))，當(dāng)電池超過2C電流放電時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致電池的永久性損壞或出現(xiàn)安全問題。電池在對(duì)負(fù)載正常放電過程中，放電電流在經(jīng)過串聯(lián)的2個(gè)MOSFET時(shí)，由于MOSFET的導(dǎo)通阻抗，會(huì)在其兩端產(chǎn)生一個(gè)電壓，該電壓值U=I*RDS*2, RDS為單MOSFET導(dǎo)通阻抗，控制IC上的“V-”腳對(duì)該電壓值進(jìn)行檢測(cè)，若負(fù)載因某種原因?qū)е庐惓?，使回路電流增大，?dāng)回路電流大到使U>0.1V(該值由控制IC決定，不同的IC有不同的值)時(shí)，其“DO”腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷?，使V1由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷了放電回路，使回路中電流為零，起到過電流保護(hù)作用。

　　在控制IC檢測(cè)到過電流發(fā)生至發(fā)出關(guān)斷V1信號(hào)之間，也有一段延時(shí)時(shí)間，該延時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)短由C3決定，通常為13毫秒左右，以避免因干擾而造成誤判斷。在上述控制過程中可知，其過電流檢測(cè)值大小不僅取決于控制IC的控制值，還取決于MOSFET的導(dǎo)通阻抗，當(dāng)MOSFET導(dǎo)通阻抗越大時(shí)，對(duì)同樣的控制IC，其過電流保護(hù)值越小。

　　5、短路保護(hù)電池在對(duì)負(fù)載放電過程中，若回路電流大到使U>0.9V(該值由控制IC決定，不同的IC有不同的值)時(shí)，控制IC則判斷為負(fù)載短路，其“DO”腳將迅速由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷?，使V1由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷放電回路，起到短路保護(hù)作用。短路保護(hù)的延時(shí)時(shí)間極短，通常小于7微秒。其工作原理與過電流保護(hù)類似，只是判斷方法不同，保護(hù)延時(shí)時(shí)間也不一樣。

　　以上詳細(xì)闡述了單節(jié)鋰離子電池保護(hù)電路的工作原理，多節(jié)串聯(lián)鋰離子電池的保護(hù)原理與之類似，在此不再贅述，上面電路中所用的控制IC為日本理光公司的R5421系列，在實(shí)際的電池保護(hù)電路中，還有許多其它類型的控制IC，如日本精工的S-8241系列、日本MITSUMI的MM3061系列、臺(tái)灣富晶的FS312和FS313系列、臺(tái)灣類比科技的AAT8632系列等等，其工作原理大同小異，只是在具體參數(shù)上有所差別，有些控制IC為了節(jié)省外圍電路，將濾波電容和延時(shí)電容做到了芯片內(nèi)部，其外圍電路可以很少，如日本精工的S-8241系列。除了控制IC外，電路中還有一個(gè)重要元件，就是MOSFET，它在電路中起著開關(guān)的作用，由于它直接串接在電池與外部負(fù)載之間，因此它的導(dǎo)通阻抗對(duì)電池的性能有影響，當(dāng)選用的MOSFET較好時(shí)，其導(dǎo)通阻抗很小，電池包的內(nèi)阻就小，帶載能力也強(qiáng)，在放電時(shí)其消耗的電能也少。

　　隨著科技的發(fā)展，便攜式設(shè)備的體積越做越小，而隨著這種趨勢(shì)，對(duì)鋰離子電池的保護(hù)電路體積的要求也越來越小，在這兩年已出現(xiàn)了將控制IC和MOSFET整合成一顆保護(hù)IC的產(chǎn)品，如DIALOG公司的DA7112系列，有的廠家甚至將整個(gè)保護(hù)電路封裝成一顆小尺寸的IC，如MITSUMI公司的產(chǎn)品。　
　在移動(dòng)設(shè)備的設(shè)計(jì)中，電池的工作時(shí)間是一項(xiàng)重要的因素。許多移動(dòng)設(shè)備都加入了更多的功能，這些新增的功能會(huì)快速地縮短運(yùn)行時(shí)間。工程師必須利用復(fù)雜的電源管理方案，以便使電池獲得最長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間。

　　工程師需要運(yùn)用電池消耗分析來評(píng)估電池運(yùn)行時(shí)間，這種分析需要分別在單獨(dú)及整合在系統(tǒng)之中這兩種情況下來描述設(shè)備、固件/軟件及其子電路。分析技術(shù)包括描述電池電流消耗，以及如何受各種工作模式及使用概況的影響。借助于這種分析，工程師就可以做出電源管理設(shè)計(jì)權(quán)衡，以盡量延長(zhǎng)電池壽命。

　　大多數(shù)電源管理系統(tǒng)都是通過在亞毫秒時(shí)間尺度上使沒有在活躍使用中的子系統(tǒng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)來節(jié)省電池能量的。其結(jié)果是，設(shè)備在不到1s內(nèi)發(fā)生的開/關(guān)事件中具有快速變化的電流。例如，GSM手機(jī)在傳輸時(shí)可以具有560μs, 2A的脈沖，接著當(dāng)處于待機(jī)模式下，在睡眠周期中電流水平可能會(huì)跌落到毫安級(jí)。

　　驗(yàn)證電池時(shí)間

　　驗(yàn)證電池工作時(shí)間的一種方法是使用電壓跌落測(cè)試，使用一塊充滿電的電池來給待驗(yàn)證的、處于工作模式下的待測(cè)設(shè)備(DUT)供電，直到電池沒電。這種測(cè)試可能相對(duì)比較耗時(shí)間，因?yàn)樗枰窟^程運(yùn)行完成來確定電壓關(guān)閉點(diǎn)，以確定工作時(shí)間。同樣，其結(jié)果依賴于電池的初始狀態(tài)，而后者可能會(huì)千差萬別。

　　另一種方法是執(zhí)行電流消耗測(cè)量，它能為工作時(shí)間測(cè)量提供更高的可信度。DUT被置于待評(píng)估的工作模式下運(yùn)行一小段時(shí)間，并測(cè)量在這種特定工作模式中的電流消耗。然后，通過將名義電池容量除以測(cè)得的電流消耗來計(jì)算出工作時(shí)間。使用這種方法，設(shè)計(jì)師無須等待電池充分放電就能確定出運(yùn)行時(shí)間。

　　理想系統(tǒng)的組成部分

　　在用于執(zhí)行電池消耗分析的理想系統(tǒng)中(如圖1所示)，需要的第一個(gè)要素是一種將DUT放入適當(dāng)?shù)墓ぷ髂Ｊ街羞M(jìn)行目標(biāo)測(cè)試(DUT激勵(lì))的方法。對(duì)于移動(dòng)電話而言，通常會(huì)使用基站仿真器。

　　其次，需要一種正確的DUT供電方法，使用電池或電源。電源的用途在于獨(dú)立于電池來測(cè)試DUT，以確保測(cè)試的一致性，或者快速地復(fù)制各種電池狀態(tài)而無須等待電池達(dá)到這些狀態(tài)(充滿電、部分放電、完全放電/壽命結(jié)束)。

　　其他重要的系統(tǒng)組成部分有：用于測(cè)量電流的電流轉(zhuǎn)換器，用于記錄電壓和電流信號(hào)的數(shù)字化儀和用于分析和存儲(chǔ)測(cè)試數(shù)據(jù)的軟件，這些測(cè)試數(shù)據(jù)用于完成長(zhǎng)期測(cè)試會(huì)非常龐大，能多達(dá)數(shù)吉字節(jié)。

　　測(cè)量考慮因素

　　電池消耗分析中使用的電源必須獨(dú)立于電池來描述DUT。電源必須有快速的響應(yīng)，以盡量減小DUT在切換模式或傳輸脈沖時(shí)所具有的快速回轉(zhuǎn)電流脈沖所造成的瞬態(tài)電壓跌落。

　　許多通用電源在這些條件下可能會(huì)出現(xiàn)高達(dá)1V的瞬態(tài)跌落，所以應(yīng)該使用能夠容忍這些條件而不出現(xiàn)電壓下降的專用電源(有時(shí)稱為電池仿真電源)。

　　從電池流向移動(dòng)設(shè)備的快速變化的電流波形提出了兩項(xiàng)測(cè)量難題：范圍和速度。首先，電流的動(dòng)態(tài)范圍可能會(huì)超過1000:1，甚至1 000 000:1。全功率活動(dòng)電流位于1～3A的量級(jí)，而低睡眠模式等級(jí)的電流位于數(shù)十微安的量級(jí)，所以待測(cè)電流的范圍給電流轉(zhuǎn)換器的選擇提出了一項(xiàng)難題。

　　這里可以使用電流感知的電阻器或分流器，但選擇大小合適的分流器卻可能頗為棘手。如果分流器的大小適合于測(cè)量最小電流，那么在大電流事件中就會(huì)在分流器兩端出現(xiàn)大的電壓降幅，而這將給電路帶來不可承受的電壓負(fù)擔(dān)。如果分流器的大小適合于測(cè)量大電流，那么當(dāng)微安級(jí)電流流過時(shí)，就極有可能沒有足夠大的電壓可供測(cè)量。通過配備幾種分流器用于不同電流大小的測(cè)量，工程師可以解決信號(hào)級(jí)的問題，但這時(shí)切換分流器就意味著中斷測(cè)量。

　　就測(cè)量速度而言，用于測(cè)量電流分流器電壓和移動(dòng)設(shè)備偏置電壓的數(shù)字化儀應(yīng)該具有50kHz或更快的采樣率，以便捕獲亞毫秒級(jí)脈沖，后者是復(fù)雜的電源管理方案的特征。

　　簡(jiǎn)化復(fù)雜的分析

　　像3G這樣的通信系統(tǒng)采用復(fù)雜的調(diào)制格式，其特征是傳輸較高的數(shù)據(jù)率時(shí)所需的高階幅度調(diào)制。從時(shí)域上看，生成的電流消耗波形是復(fù)雜而隨機(jī)的。

　　當(dāng)在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)運(yùn)行并進(jìn)行不同的操作時(shí)，使用3個(gè)數(shù)據(jù)通道進(jìn)行傳輸?shù)囊慌_(tái)cdma2000手機(jī)的射頻功率放大器的電流消耗-時(shí)間圖(如圖2所示)變得復(fù)雜而不可預(yù)測(cè)。對(duì)于電池工作時(shí)間測(cè)試而言，這種情況很常見，并且難以觀察到更改電流消耗設(shè)計(jì)的效果。

　　通過查看被抽取電流大小的統(tǒng)計(jì)分布，設(shè)計(jì)人員可以快速地看到設(shè)備在每種電流狀態(tài)中工作的頻繁程度。對(duì)于不同設(shè)計(jì)方案，比較這些CCDF圖形，就可以看出設(shè)備何時(shí)消耗更多的能量(也就是說，在大電流狀態(tài)下其時(shí)間的比例增加)，或者何時(shí)消耗更少的能量(也就是說，在小電流狀態(tài)下其時(shí)間的比例增加)。因此，工程師就可以評(píng)估出何時(shí)設(shè)計(jì)更好(需要較少的能量)或者找出設(shè)計(jì)缺陷(出人意料的需要更多能量)。

　　現(xiàn)成的解決方案

　　幾家測(cè)試設(shè)備供應(yīng)商所生產(chǎn)的產(chǎn)品可處理目標(biāo)測(cè)試系統(tǒng)的不同部分。一些供應(yīng)商所提供的電源可以在抽取快速電流脈沖時(shí)提供穩(wěn)定的、類似于電池的輸出。

　　入門級(jí)解決方案是安捷倫科技公司的移動(dòng)通信直流源66300系列。這一系列是特別定制的，用于給移動(dòng)設(shè)備供電并同時(shí)測(cè)量其電流消耗。它整合了電池仿真電源和類似于示波器的高速數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)，可以為設(shè)備的活動(dòng)、待機(jī)和關(guān)閉模式提供準(zhǔn)確的電流測(cè)量。

　　這種直流源及其配套的交鑰匙軟件可以使用戶在無須任何編程的情況下，以類似于示波器的視圖、數(shù)據(jù)記錄儀視圖并在CCDF圖表上看到它們的電流波形。如果對(duì)精度和采樣速率有更高的要求，還可以選擇該公司提供的其他解決方案。