一文解析电池保护板的构成，主要作用和工作原理

第一章 保护板的构成和主要作用

本文主要介绍锂电池保护板的构成，电池保护板的主要作用，工作原理。以及生产的单节锂电池保护线路的应用范围，电性能参数，主要材料，尺寸规格，等项目的相关内容。本规格书所描述的所有项目标准可作为品质检验标准及依据。

 2 产品应用范围

（1）液态锂离子可充电电池；
（2）聚合物锂离子可充电电池。
 
一、保护板的构成

锂电池（可充型）之所以需要保护，是由它本身特性决定的。由于锂电池本身的材料决定了它不能被过充、过放、过流、短路及超高温充放电，因此锂电池锂电组件总会跟着一块精致的保护板和一片电流保险器出现。锂电池的保护功能通常由保护电路板和PT协同完成，保护板是由电子电路组成，在-40℃至+85℃的环境下时刻准确的监视电芯的电压和充放回路的电流，即时控制电流回路的通断；PTC在高温环境下防止电池发生恶劣的损坏。

保护板通常包括控制IC、MOS开关、电阻、电容及辅助器件NTC、ID存储器等。其中控制IC，在一切正常的情况下控制MOS开关导通，使电芯与外电路沟通，而当电芯电压或回路电流超过规定值时，它立刻（数十毫秒）控制MOS开关关断，保护电芯的安全。NTC是Negative temperature coefficient的缩写，意即负温度系数，在环境温度升高时，其阻值降低，使用电设备或充电设备及时反应、控制内部中断而停止充放电。ID 存储器常为单线接口存储器，ID是Identification 的缩写即身份识别的意思，存储电池种类、生产日期等信息。可起到产品的可追溯和应用的限制。

二、保护板的主要作用

一般要求在-25℃～85℃时Control(IC)检测控制电芯电压与充放电回路的工作电流、电压，在一切正常情况下C-MOS开关管导通，使电芯与保护电路板处于正常工作状态，而当电芯电压或回路中的工作电流超过控制IC中比较电路预设值时，在15～30ms内（不同控制IC与C-MOS有不同的响应时间），将CMOS关断，即关闭电芯放电或充电回路，以保证使用者与电芯的安全。
 
第二章 保护板的工作原理

保护板的工作原理图：

如图中，IC由电芯供电，电压在2v－5v均能保证可靠工作。
 
1、过充保护及过充保护恢复

当电池被充电使电压超过设定值VC(4.25-4.35V，具体过充保护电压取决于IC)后，VD1翻转使Cout变为低电平，T1截止，充电停止.当电池电压回落至VCR(3.8-4.1V，具体过充保护恢复电压取决于IC)时，Cout变为高电平，T1导通充电继续， VCR必须小于VC一个定值，以防止频繁跳变。
 
2、过放保护及过放保护恢复

当电池电压因放电而降低至设定值VD（2.3-2.5V，具体过充保护电压取决于IC）时， VD2翻转，以短时间延时后，使Dout变为低电平，T2截止，放电停止，当电池被置于充电时，内部或门被翻转而使T2再次导通为下次放电作好准备。
 
3、过流、短路保护

当电路充放回路电流超过设定值或被短路时，短路检测电路动作，使MOS管关断，电流截止。
 
第三章 保护板主要零件的功能介绍
 

R1：基准供电电阻；与IC内部电阻构成分压电路，控制内部过充、过放电压比较器的电平翻转；一般在阻值为330Ω、470Ω比较多；当封装形式（即用标准元件的长和宽来表示元件大小，如0402封装标识此元件的长和宽分别为1.0mm和0.5mm）较大时，会用数字标识其阻值，如贴片电阻上数字标识473， 即表示其阻值为47000Ω即47KΩ（第三位数表示在前两位后面加0的位数）。R2：过流、短路检测电阻；通过检测VM端电压控制保护板的电流 ，焊接不良、损坏会造成电池过流 、短路无保护，一般阻值为1KΩ、2KΩ较多。R3：ID识别电阻或NTC电阻（前面有介绍）或两者都有。总结：电阻在保护板中为黑色贴片，用万用表可测其阻值，当封装较大时其阻值会用数字表示，表示方法如上所述，当然电阻阻值一般都有偏差，每个电阻都有精度规格，如10KΩ电阻规格为+/－5％精度则其阻值为9.5KΩ －10.5KΩ范围内都为合格。C1、C2：由于电容两端电压不能突变，起瞬间稳压和滤波作用。
 
总结：电容在保护板中为黄色贴片，封装形式0402较多，也有少数0603封装(1.6mm长,0.8mm宽)；用万用表检测其阻值一般为无穷大或MΩ级别；电容漏电会产生自耗电大，短路无自恢复现象。FUSE：普通FUSE或PTC（Positive Temperature Coefficient的缩写，意思是正温度系数）；防止不安全大电流和高温放电的发生，其中PTC有自恢复功能。
 
总结：FUSE在保护板中一般为白色贴片，LITTE公司提供FUSE会在FUSE上标识字符D-T，字符表示意思为FUSE能承受的额定电流，如表示D额定电流为0.25A，S为4A，T为5A等；现我司所有较多为额定电流为5A的FUSE，即在本体上标识字符’T’。
 
U1：控制IC；保护板所有功能都是IC通过监视连接在VDD-VSS间的电压差及VM-VSS间的电压差而控制C-MOS执行开关动作来实现的。
 
Cout：过充控制端；通过MOS管T2栅极电压控制MOS管的开关。
 
Dout：过放、过流、短路控制端；通过MOS管T1栅极电压控制MOS管的开关。
 
VM：过流、短路保护电压检测端；通过检测VM端的电压实现电路的过流、短路保护（U（VM）=I*R（MOSFET））。
 
总结：IC在保护板中一般为6个管脚的封装形式，其区别管脚的方法为：在封装体上标识黑点的附近为第1管脚，然后逆时针旋转分别为第2、3、4、5、6管脚；如封装体上无黑点标识，则正看封装体上字符左下为第1管脚，其余管脚逆时针类推）C-MOS：场效应开关管；保护功能的实现者 ；连焊、虚焊、假焊、击穿时会造成电池无保护、无显示、输出电压低等不良现象。总结：CMOS在保护板中
一般为8个管脚的封装形式，它时由两个MOS管构成，相当于两个开关，分别控制过充保护和过放、过流、短路保护；其管脚区分方法和IC一样。
 
在保护板正常情况下，Vdd为高电平，Vss、VM为低电平，Dout、Cout为高电平；当Vdd、Vss、VM任何一项参数变换时，Dout或Cout的电平将发生变化，此时MOSFET执行相应的动作（开、关电路），从而实现电路的保护和恢复功能。
 
第四章 保护板主要性能测试方法

1．NTC电阻测试：

用万用表直接测量NTC电阻值，再与《温度变化与NTC阻值对照指导》对比。
 
2．识别电阻测试：

用万用表直接测量识别电阻值，再与《保护板重要项目管理表》对比。
 
3.自耗电测试：

调恒流源为3.7V/500mA；万用表设置为uA档，表笔插入uA接孔，然后与恒流源串联起来接保护板B+、B-如下图所示：此时万用表的读数即为保护板的自耗电，如无读数用镊子或锡线短接B-、P-，
激活电路。
 
4.短路保护测试：

电芯接到保护板B+、B-上，用镊子或锡线短接B-、P-，再短接P+、P-；短路后用万用表测保护板开
路电压（如下图所示）；反复短接3-5次，此时万用表读数应与电芯一致，保护板应无冒烟、爆裂等现象。

如上图所示接好电路，按照重要项目管理表设置好锂易安数据，再按自动按钮，接好后按红表笔上的按钮进行测试。此时锂易安测试仪的灯应逐次点亮，表示性能OK。按显示键检查测试数据：‘Chg’表示过充保护电压；‘Dis’表过放保护电压；‘Ocur’表示过流保护电流。
 
第五章 保护板常见不良分析

一、 无显示、输出电压低、带不起负载：

此类不良首先排除电芯不良（电芯本来无电压或电压低），如果电芯不良则应测试保护板的自耗电，看是否是保护板自耗电过大导致电芯电压低。如果电芯电压正常，则是由于保护板整个回路不通（元器件虚焊、假焊、FUSE不良、PCB板内部电路不通、过孔不通、MOS、IC损坏等）。具体分析
 
步骤如下：

（一）、用万用表黑表笔接电芯负极，红表笔依次接FUSE、R1电阻两端，IC的Vdd、Dout、Cout端，P+端（假设电芯电压为3.8V），逐段进行分析，此几个测试点都应为3.8V。若不是，则此段电路有问题。
 
1. FUSE两端电压有变化：测试FUSE是否导通，若导通则是PCB板内部电路不通；若不导通则FUSE
有问题（来料不良、过流损坏（MOS或IC控制失效）、材质有问题（在MOS或IC动作之前FUSE被烧坏），然后用导线短接FUSE，继续往后分析。
2. R1电阻两端电压有变化：测试R1电阻值，若电阻值异常，则可能是虚焊，电阻本身断裂。若电阻值无异常，则可能是IC内部电阻出现问题。
3. IC测试端电压有变化：Vdd端与R1电阻相连。Dout、Cout端异常,则是由于IC虚焊或损坏。
4. 若前面电压都无变化，测试B-到P+间的电压异常，则是由于保护板正极过孔不通。
 
（二）、万用表红表笔接电芯正极，激活MOS管后，黑表笔依次接MOS管2、3脚，6、7脚，P-端。

1.MOS管2、3脚，6、7脚电压有变化,则表示MOS管异常。
2.若MOS管电压无变化，P-端电压异常，则是由于保护板负极过孔不通。
 
二、 短路无保护：

1. VM端电阻出现问题：可用万用表一表笔接IC2脚，一表笔接与VM端电阻相连的MOS管管脚，确认
其电阻值大小。看电阻与IC、MOS管脚有无虚焊。
 
2. IC、MOS异常：由于过放保护与过流、短路保护共用一个MOS管，若短路异常是由于MOS出现问题，则此板应无过放保护功能。
 
3. 以上为正常状况下的不良，也可能出现IC与MOS配置不良引起的短路异常。如前期出现的BK-901，其型号为‘312D’的IC内延迟时间过长，导致在IC作出相应动作控制之前MOS或其它元器件已被损坏。
注：其中确定IC或MOS是否发生异常最简易、直接的方法就是对有怀疑的元器件进行更换。
 
三、 短路保护无自恢复：

1. 设计时所用IC本来没有自恢复功能,如G2J，G2Z等。
2. 仪器设置短路恢复时间过短，或短路测试时未将负载移开，如用万用表电压档进行短路表笔短接后未将表笔从测试端移开（万用表相当于一个几兆的负载）。
3. P+、P-间漏电，如焊盘之间存在带杂质的松香，带杂质的黄胶或P+、P-间电容被击穿,IC Vdd到Vss间被击穿.（阻值只有几K到几百K）.
4. 如果以上都没问题，可能IC被击穿，可测试IC各管脚之间阻值。
 
四、 内阻大：

1. 由于MOS内阻相对比较稳定，出现内阻大情况，首先怀疑的应该是FUSE或PTC这些内阻相对比较容易发生变化的元器件。
2. 如果FUSE或PTC阻值正常，则视保护板结构检测P+、P-焊盘与元器件面之间的过孔阻值，可能过孔出现微断现象，阻值较大。
3. 如果以上多没有问题，就要怀疑MOS是否出现异常：首先确定焊接有没有问题；其次看板的厚度（是否容易弯折），因为弯折时可能导致管脚焊接处异常；再将MOS管放到显微镜下观测是否破裂；最后用万用表测试MOS管脚阻值，看是否被击穿。
 
五、 ID异常：

1. ID电阻本身由于虚焊、断裂或因电阻材质不过关而出现异常：可重新焊接电阻两端，若重焊后ID正常则是电阻虚焊，若断裂则电阻会在重焊后从中裂开。
2. ID过孔不导通：可用万用表测试过孔两端。
3. 内部线路出现问题：可刮开阻焊漆看内部电路有无断开、短路现象。

编辑：hfy