锂离子电池保护器MAX1894/MAX1924应用

锂离子电池保护器MAX1894/MAX1924应用 摘要：叙述了MAX1894/MAX1924的特点、性能指标和工作原理，详细分析了各种保护电路的功能及设计要求，给出了3串/4串?离子电池组保护器的设计方法。关键词：涓流充电；充电保护；放电保护 1引言 MAX1894/MAX1924用于保护3串或4串锂离子、锂聚合物电池组。通过监控每只单体电池的电压，防止电池过充电和过放电；通过监控电池组的充放电电流，防止电流过大和负载短路而损坏电池组。 发生故障时，芯片内的驱动器使外接的P沟道MOSFET关断，电池组充放电终止。外接MOSFET采用共源极接法，无需外接上拉电阻，各种过流和短路保护由一只电流取样电阻实现，所有保护门限值和各种保护延迟时间均由器件内部设定（厂方可根据用户要求微调），不需要任何外部元器件。 电池组放电过程中，任何一只单体电池的电压低于过放电保护门限值时，器件立即切断负载，防止电池组因过放电而损坏。电池组充电过程中，任一单体电池的电压低于过放电保护电压时，不允许快速充电。此时，外接的涓流充电控制MOSFET导通，通过MOSFET和一只串联电阻对电池组进行涓流充电。 工作中，外部微处理器控制器件的两个逻辑电平输入脚，外加低电平时，保护器正常工作，外加高电平时，外接的3只MOSFET关断，器件进入关断状态，电池组停止充放电。 应用中，MAX1894X用于4只串联锂电池组保护，各种保护门限没有滞后时间，过充电电压设置为4.25V。MAX1924X也用于4只串联锂电池组保护，过充电电压设置为4.35V，具有一定滞后时间。MAX1924V用于3只串联锂电池组保护，过充电电压设置为4.35V，并且各种保护门限值都具有一定的滞后时间。 2主要特点和参数 1）单体电池过压保护过压保护值设在4V～4.4V之间，过充电保护电压精度0.5％； 2）单体电池欠压保护欠压保护值设在2V～3.2V之间，过放电保护电压精度0.5％； 3）充放电过流保护和电池组短路保护过流保护值由外接电流取样电阻设定。 4）自动涓流充电电池组过放电后，单体电池的电压低于欠压保护值，必须先涓流充电，待电压高于欠压保护值后，再转入快速充电。 5）器件功能齐全器件内部具有完整的MOSFET驱动电路，不需外接上拉电阻。 图1引脚排列 6）静态电流和关断状态电流特别小静态工作电流典型值为30μA，连续功耗667mW，关断状态下输入电流0.8μA，可防止电池组长期存放时，因自放电电流过大而损坏。 7）最高输入电压28V满足3串和4串锂电池组的要求。 8）采用小型16脚QSOP封装印刷电路板面积很小，保护板可方便地装入电池组中。 9）工作温度范围宽工作温度范围－40℃～ ＋85℃，存贮温度范围－65℃～＋150℃。 3引脚排列及功能 MAX1894/MAX1924引脚排列如图1所示。各引脚功能如下： 脚1（B4P）接第4只单体电池的正极，采用MAX1924V保护3串锂电池组时，应将B4P与B3P脚短路； 脚2（Vcc）电源输入脚，通过二极管和电容器接电池组的正极； 脚3（B3P）接第3只单体电池的正极； 脚4（IC3）内部接点，应用时悬空； 脚5（B2P）接第2只单体电池的正极； 脚6（IC2）内部接点，应用时悬空； 脚7（B1P）接第1只单体电池的正极； 脚8（IC1）内部接点，应用时悬空； 脚9（BN）接第1只单体电池负极和电流取样电阻Rsense的上端，也是芯片的接地脚； 脚10（PKN）接电池组负极，电流取样电阻Rsense接在BN和PKN之间； 脚11（CTL）外部控制信号输入脚，如不需要外部控制电路或微控制器，接PKN脚； 脚12（SHDN）关断脚，加低电平时保护器正常工作，加高电平时若电池组未接入充电器，保护电路进入关断状态，如不需要外部控制电路或微控制器，接PKN脚； 脚13（TKO）涓流充电驱动器输出脚，接外部涓流充电控制P沟道MOSFET的栅极； 脚14（CGO）快速充电驱动器输出脚，接外部快速充电控制MOSFET的栅极； 脚15（DSO）放电驱动器输出脚，接外部放电控制P沟道MOSFET的栅极； 脚16（SRC）外接MOSFET的共源极接点，提供DSO、TKO和CGO驱动器所需的栅极偏压。 4基本工作原理 MAX1894/MAX1924内部框图如图2所示，由单体电池电压取样电路、比较电路、?放电电流检测比较电路、故障逻辑电路和快速充电、涓流充放电控制MOSFET的驱动电路等部分组成。 单体电池电压选择器可以交替检测四只单体电池的电压，该电压与过压、欠压门限值经比较器比较后，误差信号经状态机送入故障逻辑电路。如果各单体电池的电压均在过压值以下，欠压门限值以上，驱动器可输出驱动信号，使快速充放电控制MOSFET导通，电池组正常充放电。如果任意一个单体电池的电压高于过充电门限值，驱动器输出信号使快速充电控制MOSFET关断，电池组停止工作。如果任意一个单体电池的电压低于过放电保护门限值，驱动信号使放电控制MOSFET关断，电池组停止放电。 电流取样电阻Rsense两端电压通过脚PKN和BN加到内部比较器的输入端，比较器输出电压经置位/复位定时器后，也加到故障逻辑电路，故障逻辑电路通过驱动器控制外接的MOSFET。当充电电流过大时，充电控制MOSFET关断，当放电电流过大时，放电控制MOSFET关断，因而可防止电池组因充放电电流过大而损坏。 图2MAX1894/MAX1924内部框图 图3关断状态流程图 图4具有涓流充电功能的典型应用电路 4．1关断状态 当电池组未接充电器，关断脚SHDN为高电平或某一单体电池的电压低于欠压（过放电）保护值时，则器件进入关断状态，所有外接MOSFET关断，脚Vcc的电流只有0.8μA，只要没有充电电压加到电池组，MOSFET共源极电压USRC将低于电池组电压，即USRC电池组接入充电器后，USRC>UB4P＋0.1V且电池组电压高于4.5V，则器件转入正常工作状态，开始监控各单体电池的电压和电池组充放电电流。关断状态流程图如图3所示。 4．2正常工作状态 有备用状态（典型输入电流只有29μA）和取样状态（典型输入电流只有160μA）两种工作方式。器件由关断状态转入备用状态后，维持79ms即进入取样状态，开始检测每只单体电池的电压，判断是否过压或欠压，取样状态维持0.5ms后，返回备用状态。正常工作中，器件将连续监控电流取样电阻Rsense两端的电压，判断是否出现充放电过流或电池组短路故障。 5设计程序 5．1涓流充电电路设计 MAX1894/MAX1924组成的锂电池保护电路有两个充电控制电路：快速充电电路和涓流充电电路。充电过程中，若有一只或多只单体电池的电压低于欠压保护门限值，则脚TKO变为低电平，外接涓流充电MOSFET导通，电池组开始涓流充电，如图4所示。 涓流充电电流ITKO的外接电阻RTKO由充电器输出电压UCHRG和电池组电压UPACK等参数决定： RTKO= 如果不需要涓流充电功能，脚CGO应悬空，脚TKO应接到外接过充保护MOSFET的栅极，如图5所示。充电器接入该保护电路后，如一只或多只单体电池的电压低于过放电门限电压，器件将不断调整脚TKO的输出电压，改变充电电流，直到所有单体电池的电压都高于过放电门限电压。 5．2MOSFET驱动器保护电路 电路中三只外接MOSFET的源极都接在脚SRC。当MOSFET关断时，不要外接上拉电阻就可将栅极电压提升到脚SRC的电压；当MOSFET导通时，芯片内的嵌位电路可将栅源电压限制在－14V，因此，可以选用最高栅源电压为－20V的MOSFET。 图5没有涓流充电功能的典型应用电路 5．3电流取样电阻Rsense选择 工作中，Rsense检测所有电流故障并决定故障电流值。 充电过流保护门限值IOC为 IOC=（1） 过放电过流保护门限值IOD为 IOD=（2） 电池组短路电流门限值IPS为 IPS=（3） 根据以上各式可选择适当的取样电阻值。实际应用中，取样电阻要消耗一定的功率，电池组短路电流为 IPS=（4） 式中：UCELL为单体电池的电压； RDSON.DSO为放电控制MOSFET的通态电阻； RDSON.CGO为充电控制MOSFET的通态电阻； RCELL单体电池的内阻； NS电池组串联电池数； NP电池组并联电池数。 在电池组短路状态下，电流取样电阻的功耗PPS为 PPS=×Rsense(5) 因此应当选用功率大于PPS的电流取样电阻Rsense。 5．4外接MOSFET选择 电路中外接MOSFET作开关用，电池组充放电，应根据要求的充放电电流选择不同的P沟道MOSFET，通常，快速充电控制和放电控制MOSFET的要求是相同的，可以选用同一型号的MOSFET，涓流充电控制MOSFET可选用小信号型MOSFET。由于器件内部的MOSFET驱动器栅源极箝位电压Ugs为－20V，因此可选用最高Ugs为－20V的MOSFET。确保漏源极电压高于电池组电压。 MOSFET的功耗P=I2RDSON 通常，MOSFET的额定功耗均大于上述计算值，若单只MOSFET额定功耗不能满足要求，可采用两只或多只并联。 5．5去耦电路设计 工作过程中电池组严重过载（如电池组短路）时，电压将低于Vcc欠压锁定门限。为此，在Vcc输入端采用二极管、电容器构成峰值电压检测电路，如图4图5电路所示，可保证电池电压瞬变时，保护电路连续工作。由于器件典型输入电流只有30μA，所以D1和C6可以选用廉价的二极管和电容器，通常D1可选用额定电流为几mA的30V肖特基二极管，滤波电容可选用0.1μF电容器。工作时为了检测充电器是否接入电池组，器件要连续监控脚B4P和SRC的电压差，为确保该电压差不受噪声干扰，在两输入脚间必须接入时间常数很小的RC滤波器，该滤波器由R5和C5组成，通常R5选用10Ω，C5选用2.2μF电容器。 5.6单体电池保护与滤波 为了检测每只单体电池的电压，每只电池的正极分别接到器件的脚B1P、B2P、B3P和B4P。当相邻两个单体电池电压输入脚短路时，为了限流，在各单体电池的正极与单体电池电压输入脚之间应串入一只电阻，为了不影响过压取样值，该电阻的压降通常应小于0.5mV，电池组最上面一只单体电池在取样期间典型输入偏流为60μA，为了减小取样电流引起的取样电压变化，该电池与脚B4P之间应串入10～50Ω电阻，电池组下面三只单体电池的输入偏流均为0.5nA,通常可串入1kΩ电阻。为了滤波，脚B4P与脚B3P之间应接入1μF电容器，由于B1P～B4P内都接有ESD二极管，ESD保护电压高达2kV，所以在两相邻单体电池电压输入脚之间应接入0.1μF电容器，构成RC滤波器，改善器件抗ESD性能，也可滤除脚B1P～B4P的尖峰电压，避免MAX1894/MAX1924因受噪声干扰而误动作。 6结语 由MAX1894/MAX1924构成的锂离子电池组保护器电路结构简单，保护功能齐全，能可靠地控制充电器终止充电，确保电池充电安全。 参考文献[1]陈有卿，刘海平.新颖集成电路应用手册[M].北京：人 民邮电出版社,1997. [2]沙占友，李学尧，邱凯.新型特种集成电源及应用[M]. 北京：人民邮电出版社,1998.