锂电池在生活中越来越常见，那么本期威兆课堂就带大家了解下可充电电池的发展历史，并分析各类充电电池的优缺点等，再重点讲述锂电池保护的要点，最后针对多串锂电池保护板的驱动问题做较为详细的分析，快跟上小兆的步伐学习以上知识吧。 可充电电池的历史 随着便携式电子电器设备在人们的生活中日益普及，我们对充电电池的需求也在水涨船高；化学电池等目前在各类便携式电子设备中均是不可缺少的核心部件，没有电池提供源源不断的能量做为动力，这类设备即刻动弹不得。 可充电电池的优点是便于携带，使用寿命长，它们可充放电次数达百次到1000多次，即使价格比一次性电池更贵，但从长期使用的观点来看，则仍然很经济实惠，且方便快捷。在便携式电子电器行业，市场中曾经出现过的可重复充电使用的充电电池，曾经经历了镍镉、镍氢，和锂离子电池等阶段。 镍镉电池（NiCd）的优点是可以承受较大充电电流，尤为适合快速充电，同时也可在瞬间释放大电流，因而适合电动工具等应用，但缺点也很明显，它的能量密度比小，容量小、寿命短、自放电率较高（20%），有“记忆效应”，并且内部含有害物质镉（Cd），会污染环境等，不符合环保认证的要求，故很快就被淘汰了。 镍金属氢电池（NiMH）简称镍氢电池，它的优点与镍镉电池类似，但内部不再含有有害物质，符合绿色环保认证的要求，故问世后很快取代了镍镉电池，但它仍有“记忆效应”，且自放电率较高（20%），能量密度小等缺点，在使用中仍然受到限制。 随着基础材料学的不断进步，锂离子电池问世了；由于它优异的性能，例如：能量密度大，自放电率低（5%），可多次循环充放电且没有记忆效应等，受到了消费者的青睐并纷纷进入了大量的商用领域；随着锂电池的成本不断下降，在便携式电子电器设备中，锂电池如今早已取代了有记忆效应的可充电传统的镍氢电池（NiMH）等，得到了广泛的应用；铁锂电池因为有更好的瞬间持续放电能力，在电动工具，电动自行车，家电等电机驱动行业，汽车应急点火电源等受到了更多用户更多的喜爱。 最初的锂电池是锂离子电池，内部有电解液，使用过程中会有液体渗漏的隐患，故一般将电池材料密封在金属容器中，做成固定的圆柱形（居多）或长方体，这样的封装形式及尺寸兼容传统的圆柱形电池，替换起来比较方便，目前仍有大量的市场。 随后问世的聚合物锂电池，内部是固体粉末状电解质，或凝胶，可以根据电子设备的形状而灵活做成各种外形尺寸，尤其适合目前手机，平板电脑，笔记本电脑等轻薄方面的需求，在这些行业尤其受到欢迎。 锂电池为什么需要保护板 锂电池虽然有上述很多优点，但因为金属锂，化学性质非常活泼，燃点低，在空气中遇到高温等容易起火燃烧，故锂电池在应用时对于过充过放过流等均相当敏感，一旦不能正确使用，就会发生起火燃烧甚至爆炸等事故，给用户造成人身伤害等。 锂电池的过充及过放，会对电芯造成永久损伤，从而降低电池的使用寿命及容量等，且不可逆转。我们知道，单节锂电池充满电的端电压为DC4.2V，在带载期间，电池的端电压将随着电量的不断衰减，而逐步降低，当低于DC3.0V时，就被保护板子上的主芯片及其外围器件监测到，然后主芯片发出信号低电平信号，将功率MOS管迅速关断，从而避免锂电池因过放而永久损坏电芯。 防止锂电池过充的问题，通常由电池保护板配合配合充电模组可以控制；那么，用户在使用锂电池时，不小心将正负极端子（VBAT+ 与P-）直接短路引起的瞬间过放的而引起的安全问题随即凸显。 按照理论估算，锂电池电芯的内阻R0在毫欧姆级别，锂电池的端电压V0是伏特级别，当正负极端子（VBAT+与P-）直接短路时，瞬间的电流按照欧姆定律为：I = V0/R0 = 3.0v/10mR ~= * x 10^3 A 故，估算这个瞬间短路电流将达到数百安培的级别； 当然，实际测试时，因为受到电池实际容量的限制，瞬间电流也许不会有这么大，但至少也在数十安培以上，足以引起电池包起火燃烧或爆炸。 单节聚合物锂电池，一般应用在手机，蓝牙耳机，平板电脑，笔记本电脑等行业，容量根据行业的情况，分布区间较大；蓝牙耳机通常是数十mAH～100mAH，手机及平板电脑通常在4000mAH～6000mAH+，笔记本电脑在10000mAH以上；
图一 保护板设计不当引起电池爆炸的手机
图二 单节锂电池保护板的基本拓扑 但是，在电动工具，电动自行车，汽车应急电源等行业，单颗电芯的锂电池，容量有限，带负载的能力及瞬间的放电能力等均不能满足要求，故常用多个单节锂电池串联使用，一般是4串～13串不等，目前看到的4串铁锂电池的应用最为多见，电池包的容量通常在数十AH（安时）或更大，那么电池包正负极端子（VBAT+与P-）直接短路引起的瞬间电流将达到千安培的级别，造成的损失不可忽视。 重点分析多串电池保护的问题 多串电池的应用行业，在电池保护板行业，为了尽可能的扛住设备在启动瞬间需要的较大的工作电流，尤其是意外将电池正负极端子（VBAT+与P-）直接短路，带来的瞬间大电流，通常是多颗并联使用，每块PCBA上至少是3pcs+3pcs，多者24pcs+24pcs等，MOS管的并联数量根据电池包的容量而确定；这类客户一般要求短路瞬间主芯片启动保护的时间为100uS～300uS，小于100uS板子会进入误保护状态，导致用户体验不好，但大于300uS这个时间，又对MOS管耐冲击的能力更加严苛。 本项目是12pcs+12pcs，即充电保护部分12颗并联后作为图二中的Q2，短路保护部分也是12颗并联后作为图二中的Q1。一般来说，考虑到负载平衡等因素，充电保护部分的MOS管数量与短路保护部分的MOS管数量相同。
在这类应用场景，若单颗功率MOS管的结电容及Qg等偏大，多管并联后，对于主芯片的驱动能力造成了极大的挑战！ 多串锂电池保护板MOS管的驱动等问题 1、按照开启电压Vth值对MOS管进行分档 目的在于保证并联管子的参数一致性，管子Vth的相互间的Vth误差越小，在多管并联应用时，每个管子的导通及关断的误差就越小，这样可以避免某1颗或几颗管子率先导通，忽然承受极大的负载而抗不住瞬间炸掉，那么剩下的那些管子再来抗负载，势必也抗不住，于是随后立刻炸掉。 2、由电池保护主芯片直接驱动功率MOS管 适合并联的MOS管数量在4颗（含）及以下，否则使用效果欠佳，在电池正负极端子（VBAT+与P-）直接短路的模拟测试中，管子瞬间炸裂，不能满足客户需求。 3、使用专用的驱动芯片 这样会增加PCBA的成本等，调试比较方便，但应用不够灵活。 4、使用图三所示的NPN+PNP方式组成的推挽驱动 优点：成本低，应用方便，灵活。 缺点：需要根据电池包的容量等，调整外围阻容参数等。
总结 随着各类锂电池的应用日益普及，锂电池保护板需求持续增加，在多串电池保护板的应用领域，涉及到电池包的容量差异等，并联的MOS管数也不尽相同，故在实际应用中需要根据需求对驱动电路进行适当调试。 |
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