郭家诚
【摘 要】随着科技的快速发展，人们使用的便携式电子产品越来越多。锂离子电池作为大多数移动设备的电源得到了广泛的应用，同时它的保护问题也变得尤为重要，因为如果电路发生故障，轻则电池永久性损坏，重则设备一同损坏甚至发生安全问题。为使锂离子电池在充放电的过程中能够安全高效的工作，锂离子电池保护电路的设计是很关键的。
【关键词】锂离子电池；安全高效；保护电路
中图分类号： TP391.9 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2017）20-0098-001
Design of Protection Circuit for Lithium Ion Battery
GOU Jia-cheng
（School of Electrical and Information Engineering， Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001，China）
【Abstract】With the rapid development of science and technology， more and more portable electronic products are used. Lithium ion battery as the power supply of most mobile devices has been widely used， and its protection has become particularly important， because if the circuit fails， the battery may be permanently damaged， the equipment may be damaged or even the occurrence of safety problems. In order to make lithium ion battery work safely and efficiently in the process of charging and discharging， the design of protection circuit for lithium ion battery is very important.
【Key words】Lithium ion battery； Safe and efficient； Protection circuit
1 控制集成芯片R5421
控制集成芯片R5421是一种拥有过充电、过放电、过电流、短路等保護功能的控制集成芯片，它可以有效的保证电路的安全。
2 锂离子电池保护电路
3 工作原理
3.1 正常状态
在正常状态下，电路中的两个引脚CO和DO输出高电压时，场效应管处于导通状态，锂离子电池的充电和放电可以自由的进行。由于场效应晶体管导通电阻很小，所以对电路的性能影响很小，这时保护电路中的电流为微安级。
3.2 过充状态
锂离子电池以恒流方式和恒压方式进行充电，刚开始的时候，锂离子电池首先进行恒流充电，电池的内电压逐渐升高，当达到4.2V，即锂离子电池进行恒压充电时所设置的数值的时候，电池自动转为恒压充电。但是在充电的过程之中，如果充电控制电路发生了故障，会对电池以恒流充电的方式连续的进行充电，电池的内电压会不断的升高，当高于4.3V时，锂离子电池的内部会发生化学副反应，可能造成电池损坏甚至发生危险。
在锂离子电池充放电电路之中，如果设计有对电池的保护电路，当芯片上的引脚监测到电池上的电压值达到4.28V时，不同芯片的数值不一样，CO引脚上的电压从高变成零，T2由导通变为截止，充电回路断开，充电电路停止对锂电池充电，同时锂电池通过T2两端的二极管D2对外部负载放电。在电池电压达到设定值与控制集成电路控制断开T2之间应该有一个延时，通过外接的延时电容设定，通常为1s，以防止瞬时电压造成的错误判断。
3.3 过放状态
锂离子电池进行放电时，电池电压逐渐降低，当降到2.5V时，电池电量基本耗尽，如果放电控制电路发生故障，锂离子电池会继续放电，电池电压会持续降低，当电池电压降至2.3V时，锂离子电池会发生永久性损坏。
在有保护电路的锂离子电池中，当电池电压降到控制集成电路设定的值时，不同的集成控制电路电压值不同，本控制集成电路为2.3V，DO端由高电位变为零电位，T1由导通变为截止，放电回路断开，锂离子电池停止放电，同时保护电路通过T1两端的二极管D1对锂离子电池充电。在电池电压降到设定值与控制集成电路控制断开T1之间应该有一个延时，通过外接的延时电容设定，通常为100ms，以防止瞬时电压造成的错误判断。
3.4 过流状态
由于锂离子电池的化学特性，其放电率不超过2C。如果锂离子电池的放电率高于2C，会对电池造成永久性的损害。
在正常放电的锂离子电池电路之中，两个场效应管会有电流通过。由于场效应管导通时的阻抗，所以两个场效应晶体管之间会产生电压降。电压降的值为：V=I×RDS×2（I为放电电流；RDS为单个场效应管导通阻抗）。
在锂离子电池充放电电路之中，如果设计有对电池的保护电路，当芯片上的VC引脚监测到电池上的电压值高于0.1V时，不同芯片的数值不一样。DO端由高电位变为零电位，T1由导通变为截止，放电回路断开，锂离子电池停止放电，电路中电流为零，起保护作用。在电池电压降到设定值与控制集成电路控制断开T1之间应该有一个延时，通过外接的延时电容设定，通常为13ms，以防止瞬时电压造成的错误判断。在相同的集成电路控制下，两个FET阻抗大，过流保护值较小。
3.5 短路状态
在锂离子电池充放电电路之中，如果设计有对电池的保护电路，当芯片上的VC引脚监测到电池上的电压值高于0.9V时，不同芯片的数值不一样。DO端由高电位变为零电位，T1由导通变为截止，放电回路断开，锂离子电池停止放电，电路中电流为零，起保护作用。在电池电压降到设定值与控制集成电路控制断开T1之间应该有一个延时，通过外接的延时电容设定，通常小于7μs，以防止瞬时电压造成的错误判断。这个过程要注意和3.4进行比较和区别。
4 总结
本次设计是运用R5421芯片对电路的充放电过程进行保护，主要包括过充电保护、过放电保护、过电流保护、短路保护。是移动设备电源安全性的重要保障。在体现了安全原则的同时，尽量简化电路，减少外部元件的使用，满足了人们对于移动设备便于携带、小巧美观的需求。但是本次的设计并没有生产出实物，进行测试，所以还只是停留在理论阶段，要想真正地做出产品，还需要克服实践中可能遇到的困难。
【参考文献】
[1]蒋新华，冯毅，解晶莹.锂离子蓄电池保护电路发展现状及趋势[J].电源技术，2004（9）.
[2]上海东钜电子有限公司技术支援部，杜伟洪.理光R5421锂电保护芯片的应用[J].电子产品与技术，2004（10）：75-76.
[3]刘修文.实用电子电路设计制作300例[M].北京，中国电力出版社，2006.2.
[4]李洋.现代电子设计与创新[M].北京：中国电力出版社，2007.7.
[5]MAXIM：Linear Charger for Single-Cell Li+ Battery，2002.endprint
