保護板基本知識詳解

關(guān)于保護板基本知識詳解目錄一、保護板的由來二、保護板的組成四、單節(jié)電芯保護板電路原理及工作過程五、多節(jié)電芯串聯(lián)保護板電路原理及工作過程三、保護板的幾項實用指標六、一般保護板不良原因分析方法七、保護板的檢測及作業(yè)注意事項第2頁,共49頁，2024年2月25日，星期天

鋰電池(可充型)之所以需要保護，是由它本身特性決定的。由于鋰電池本身的材料決定了它不能被過充、過放、過流、短路及超高溫充放電，因此鋰電池鋰電組件總會跟著一塊精致的保護板和一片電流保險器出現(xiàn)。

一、保護板的由來第3頁,共49頁，2024年2月25日，星期天鋰電池的保護功能通常由保護電路板和PTC等電流器件協(xié)同完成，保護板是由電子電路組成，在-40℃至+85℃的環(huán)境下時刻準確的監(jiān)視電芯的電壓和充放回路的電流，及時控制電流回路的通斷；PTC在高溫環(huán)境下防止電池發(fā)生惡劣的損壞。第4頁,共49頁，2024年2月25日，星期天電池構(gòu)造保護板電芯PTCNTC第5頁,共49頁，2024年2月25日，星期天保護板通常包括控制IC、MOS開關(guān)、電阻、電容及輔助器件FUSE、PTC、NTC、ID、存儲器等。其中控制IC，在一切正常的情況下控制MOS開關(guān)導(dǎo)通，使電芯與外電路導(dǎo)通，而當(dāng)電芯電壓或回路電流超過規(guī)定值時，它立刻控制MOS開關(guān)關(guān)斷，保護電芯的安全。二、保護板的組成第6頁,共49頁，2024年2月25日，星期天MOS管電阻PCB保護IC電容保護板的外形第7頁,共49頁，2024年2月25日，星期天保護板元器件簡介1、電阻：起限流、采樣作用；2、電容：對直流電而言電阻值“∞“，對交流電而言阻值接近零，電容兩端電壓不能突變，能起瞬間穩(wěn)壓作用，濾波作用；3、FUSE：熔斷保險絲，起過流保護作用；4、PTC：PTC是Positivetemperaturecoefficient的縮寫，意即正溫度系數(shù)電阻，（溫度越高，阻值越大），可以防止電池高溫放電和不安全的大電流的發(fā)生，即過流保護作用。第8頁,共49頁，2024年2月25日，星期天

PTC器件采用高分子材料聚合物，通過嚴格的工藝制成，由聚合物樹酯基體及分布在里面的導(dǎo)電粒子組成，在正常情況下，導(dǎo)電粒子在樹酯中構(gòu)成導(dǎo)電通路，器件表現(xiàn)為低阻抗，電路中有過流發(fā)生時，流經(jīng)PTC的大電流產(chǎn)生的熱量使聚合物樹酯基體體積臌脹，因而切斷導(dǎo)電粒子間的連接，從而對電路的過流起保護作用。當(dāng)故障解除后，方可自動恢復(fù)到初始狀態(tài)，保證電路正常工作。通路斷路受熱基體膨脹故障解除基體恢復(fù)初始狀態(tài)第9頁,共49頁，2024年2月25日，星期天

5、NTC是Negativetemperaturecoefficient的縮寫，意即負溫度系數(shù)，在環(huán)境溫度升高時，其阻值降低，使用電設(shè)備或充電設(shè)備及時反應(yīng)、控制內(nèi)部中斷而停止充放電。

6、ID是Identification的縮寫，即身份識別的意思它分為兩種：一是存儲器，常為單線接口存儲器，存儲電池種類、生產(chǎn)日期等信息；二是識別電阻。兩者可起到產(chǎn)品的可追溯和應(yīng)用的限制。第10頁,共49頁，2024年2月25日，星期天7、IC：特點：

①內(nèi)藏高精度電壓檢出電路；

A、過充電檢出電壓（3.9V~4.4V），一般來說，IC型號不同，過充電檢出電壓也不一樣，就我司現(xiàn)在使用的IC而言，過充電檢出電壓在4.2V～4.4V；

B、過放電檢出電壓（2.0V～3.0V），一般來說，IC型號不同，過放電檢出電壓也不一樣，就我司現(xiàn)在使用的IC而言，過放電檢出電壓在2.6V～2.8V；②連接充電器的端子采用高耐壓裝置；③各種延遲時間由內(nèi)載電路來實現(xiàn)（過放、過充電，過電流延遲）；④內(nèi)藏三級過電流檢出電路（過電路1、過電流2、負載短路）；⑤充電器檢出功能、異常充電電流檢出功能；⑥工作溫度范圍：-40℃～+85℃。第11頁,共49頁，2024年2月25日，星期天IC的外形結(jié)構(gòu)五腳六腳IC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)第12頁,共49頁，2024年2月25日，星期天在保護板正常的情況下，Vdd為高電平，Vss,VM為低電平，DO、CO為高電平，當(dāng)Vdd,Vss,VM任何一項參數(shù)變換時，DO或CO端的電平將發(fā)生變化。關(guān)于IC幾種狀態(tài)的概念（通常狀態(tài)下CO、DO為高電平，電池能充放電）1、過充電檢出電壓：在通常狀態(tài)下，Vdd逐漸提升至CO端由高電平變?yōu)榈碗娖綍rVDD-VSS間電壓。2、過充電解除電壓：在充電狀態(tài)下，Vdd逐漸降低至CO端由低電平變?yōu)楦唠娖綍rVDD-VSS間電壓。3、過放電檢出電壓：通常狀態(tài)下，Vdd逐漸降低至DO端由高電平變?yōu)榈碗娖綍rVDD-VSS間電壓。

4、過放電解除電壓：在過放電狀態(tài)下，Vdd逐漸上升到DO端由低電平變?yōu)楦唠娖綍rVDD-VSS間電壓。5、過電流1檢出電壓：在通常狀態(tài)下，VM逐漸升至DO由高電平變?yōu)榈碗娖綍rVM-VSS間電壓。

6、過電流2檢出電壓：在通常狀態(tài)下，VM從OV起以1ms以上4ms以下的速度升到DO端由高電平變?yōu)榈碗娖綍rVM-VSS間電壓。第13頁,共49頁，2024年2月25日，星期天7、負載短路檢出電壓：在通常狀態(tài)下，VM以O(shè)V起以1μS以上50μS以下的速度升至DO端由高電平變?yōu)榈碗娖綍rVM-VSS間電壓。

8、充電器檢出電壓：在過放電狀態(tài)下，VM以O(shè)V逐漸下降至DO由低電平變?yōu)樽優(yōu)楦唠娖綍rVM-VSS間電壓。

9、通常工作時消耗電流：在通常狀態(tài)下，流以VDD端子的電流（IDD）即為通常工作時消耗電流。

10、過放電消耗電流：在放電狀態(tài)下，流經(jīng)VDD端子的電流（IDD）即為過流放電消耗電流。第14頁,共49頁，2024年2月25日，星期天記號部件推薦值minmaxR1阻抗470Ω300Ω1.3KΩC1電容0.1μF0.01μF1.0μFR2阻抗1KΩ300Ω1.3KΩ保護板IC外置部件要求(以S81241為例)：1、在R1處加載比R2小的阻抗的場合，由于充電器連接電流從充電器流向IC，VDD-VSS間電壓有超過最大額定值的情況，故R1一般小于R2。

2、如果C1上加載少于0.01μF的電容，對負載短路檢出，充電器的連接，過電流1和過電流2來說，DO有可能發(fā)生振蕩。3、若R2設(shè)定電阻小于300Ω，則在充電時，充電電流有可能超過IC容許功耗而損壞IC，如果R2超過1.3KΩ時，則高電壓充電器充電時，有不能切斷充電電源的情況。第15頁,共49頁，2024年2月25日，星期天MOS管21438765876543211MOS管外型結(jié)構(gòu)2345678圖一圖二圖三在圖一中，MOS管腳1、8通過MOS管內(nèi)部線路或保護板上線路連在一起；腳2和腳3，腳6和腳7通過內(nèi)部連在一起；在圖二中，MOS管腳D1、D2通過MOS管內(nèi)部線路連在一起；在圖三中，MOS管腳1、2、3通過內(nèi)部線路連在一起，MOS管腳5、6、7、8通過內(nèi)部線路連在一起。第16頁,共49頁，2024年2月25日，星期天IC、MOS管管腳的命名規(guī)則21438765一般來說，雙列式電子元器件的管腳命名都遵從逆時針命名規(guī)則，IC、MOS管也不例外。這一般包含兩種類型：1、如元器件上有小圓凹點則凹點所對管腳為1腳，其余的按逆時針排列（圖一）；2、如沒凹點，但有文字（通常為元件型號），則將元件擺放至正常的文字讀寫狀態(tài)，（圖2）文字下方左側(cè)的第一個管腳為1腳，其余按逆時針排列。G2N圖一圖二第17頁,共49頁，2024年2月25日，星期天三、保護板的幾項實用指標1、導(dǎo)通電阻：定義：當(dāng)充電電流為500mA時，MOS管的導(dǎo)通阻抗。由于通訊設(shè)備的工作頻率較高，數(shù)據(jù)傳輸要求誤碼率低，其脈沖串的上升及下降沿陡，故對電池的電流輸出能力和電壓穩(wěn)定度要求高，因此保護板的MOS管開關(guān)導(dǎo)通時電阻要小，單節(jié)電芯保護板通常在<70mΩ，如太大會導(dǎo)致通訊設(shè)備工作不正常，如手機在通話時突然斷線、電話接不通、噪聲等現(xiàn)象。第18頁,共49頁，2024年2月25日，星期天2、自耗電流定義：IC工作電壓為3.6V，空載狀態(tài)下，流經(jīng)保護IC的工

作電流，一般極小.保護板的自耗電流直接影響電池的待機時間，通常規(guī)定保護板的自耗電流小于10微安.3、電流能力保護板作為鋰電芯的安全保護器件,既要在設(shè)備的正常工作電流范圍內(nèi),能可靠工作,又要在當(dāng)電池被意外短路或過流時能迅速動作,使電芯得到保護.5、機械性能、溫度適應(yīng)能力、抗靜電能力保護板必須能通過國標規(guī)定的震動，沖擊試驗；保護板在-40到85℃能安全工作,能經(jīng)受±15KV的非接觸ESD靜電測試.第19頁,共49頁，2024年2月25日，星期天普通保護板原理圖（典型）四、單節(jié)電芯保護板的電路原理及工作過程B+P+第20頁,共49頁，2024年2月25日，星期天IC過放控制過充控制+-充電FUSE電芯MOS管保護板原理框圖（簡化圖）過放控制第21頁,共49頁，2024年2月25日，星期天保護板工作原理如圖中，IC由電芯供電，電壓在1.5v－10v均能保證可靠工作。第22頁,共49頁，2024年2月25日，星期天1、通常狀態(tài)：電池電壓在過放電檢出電壓以上（2.75V以上），過充電檢出電壓以下（4.3V以下），VM端子的電壓在充電器檢出電壓以上，在過電流/檢出電壓以下（OV）的情況下，IC通過監(jiān)視連接在VDD-VSS間的電壓差及VM-VSS間的電壓差而控制MOS管，DO、CO端都為高電平，MOS管處導(dǎo)通狀態(tài)，這時可以自由的充電和放電；第23頁,共49頁，2024年2月25日，星期天當(dāng)電池被充電使電壓超過設(shè)定值VC(4.25-4.35V)后，VD1翻轉(zhuǎn)使Cout變?yōu)榈碗娖?，T1截止，充電停止，當(dāng)電池電壓回落至VCR(3.8-4.1V)時，Cout變?yōu)楦唠娖?，T1導(dǎo)通充電繼續(xù)，VCR小于VC一個定值，以防止電流頻繁跳變。2、過充保護第24頁,共49頁，2024年2月25日，星期天IC電量過放控制過充控制+-充電第25頁,共49頁，2024年2月25日，星期天IC電量過放控制過充控制+-充電第26頁,共49頁，2024年2月25日，星期天IC電量過放控制過充控制+-充電STOP4.25-4.35V3.8-4.1V第27頁,共49頁，2024年2月25日，星期天當(dāng)電池電壓因放電而降低至設(shè)定值VD（2.3-2.5V）時，VD2翻轉(zhuǎn)，以IC內(nèi)部固定的短時間延時后，使Dout變?yōu)榈碗娖剑琓2截止，放電停止。3、過放保護第28頁,共49頁，2024年2月25日，星期天電量過放控制-IC+放電LOAD第29頁,共49頁，2024年2月25日，星期天電量放電IC+LOAD第30頁,共49頁，2024年2月25日，星期天電壓-放電STOP2.3-2.5VIC+LOAD第31頁,共49頁，2024年2月25日，星期天4、過流、短路保護當(dāng)電路放電電流超過設(shè)定值或輸出被短路時，過流、短路檢測電路動作，使MOS管（T2）關(guān)斷，電流截止。第32頁,共49頁，2024年2月25日，星期天IC電流門限-放電ve第33頁,共49頁，2024年2月25日，星期天IC過放控制過放控制+-放電電流門限第34頁,共49頁，2024年2月25日，星期天五、多節(jié)電芯串聯(lián)保護板電路原理及工作過程1、原理框圖同單節(jié)電芯一樣，在多節(jié)電芯保護電路中，保護板同樣必須能對電芯提供過充、過放、過流、短路等保護。IC過放控制過充控制-n節(jié)電芯+第35頁,共49頁，2024年2月25日，星期天雙節(jié)電芯保護板原理圖第36頁,共49頁，2024年2月25日，星期天1、無顯示（無電壓、充不進電、空載電壓低）：當(dāng)發(fā)現(xiàn)有電池?zé)o顯示時，可采取以下步驟進行分析（工具：萬用表）：

①先用萬用表測電芯正負極電壓，如時電芯電壓正常，則保護板有問題，進入步驟B；如果電芯無電壓或電壓低，則可測保護板靜態(tài)電流（自耗電），其電流小于10μA，則電芯有問題，若電流大于10μA，則為保護板靜態(tài)電流過大，保護板來料不良。

②若是保護板有問題，則可用萬用表黑表筆始終接觸電芯負極，紅表筆儀次沿FUSE兩端、471電阻兩端、IC的VDD端、DO端、CO端測電壓，若保護板是良好的，假設(shè)電芯電壓為3.8V，則這幾處的電壓值也應(yīng)為3.8V，如若這幾處電壓有不為3.8V的，可用以下方法查找原因：

A、FUSE兩端電壓有變化，可用萬用表導(dǎo)通檔測FUSE是否導(dǎo)通，若不通則為FUSE斷；或者用導(dǎo)線把FUSE短接，再測五金（導(dǎo)線）P+、P-間有無電壓，如有則為FUSE斷，然后可用萬且用表20A檔測電池有無短路保護，如有短路保護則FUSE可能為來料不良，有可能為操作時損壞；如無短路保護，則應(yīng)為MOS管放電控制端出現(xiàn)問題或IC的VM端出現(xiàn)問題，具體分析方法見無保護的分析方法。六、一般保護板不良原因分析方法第37頁,共49頁，2024年2月25日，星期天B、若為471電阻兩端電壓有變化，可采取以下方法分析：先用萬用表Ω檔測471電阻是否正常，若電阻不正常則可用烙鐵焊電阻兩端，如電阻為虛焊則應(yīng)可恢復(fù)到正常阻值，若電阻不恢復(fù)到正常值，則可用烙鐵沾錫并輕撥電阻一端，看電阻是否斷裂，如為斷裂，則應(yīng)追查有何處斷裂。如若電阻即不虛焊，又無斷裂，則應(yīng)追查來料有無問題。若電阻阻值正常，則應(yīng)為IC或MOS管出現(xiàn)異常而引起471電阻電壓降低，具體分析方法見“C”。

C、若前面FUSE、471電阻都無問題，則問題可能出于IC與MOS管這一對配合元件上，其中有幾種情況：a、元器件虛焊：可用焊鐵焊MOS管或IC腳，若是元器件虛則應(yīng)可焊好；b、元器件損壞，可用好的元器件替換或測元器件腳間阻值的方法來判定。

D、若FUSE、471電阻、IC、MOS管的電壓都無變化，則可用萬用表紅表筆接觸正極不動，黑表筆接觸MOS管2、3腳或MOS管5、6腳。若電壓不變，再測五金P+、P-，若無電壓，則應(yīng)是保護板過孔不通。如要判定為正極過孔不通還是負極過孔不通，則可用萬用表表筆一到接電芯一極（B+或B-），另一支接五金另一極（P+或P-）來判定。第38頁,共49頁，2024年2月25日，星期天2、無短路保護：若電池?zé)o短路保護，則可以從以下幾種情況來分析：

A、VM端電阻出現(xiàn)問題，可用萬用表一支表筆接觸IC的VM端，另一只表筆接觸與VM端電阻相連的MOS管部分（即P-管腳），確認電阻值大小，如果電阻阻值出現(xiàn)問題，則可用烙鐵來判定電阻上虛焊、斷裂，還是來料的問題。B、MOS管放電控制端不能閉合，要判斷是不是MOS管出現(xiàn)問題，最簡單的方法就是用一個好保護板（A）的MOS管來替換不良保護板（B）上的MOS管，同時可把替換下來的MOS管上到保護板（A）上。如果兩個保護板都為OK的，則應(yīng)是MOS管虛焊，若保護板（B）為OK的，而保護板（A）NG，則保護板（B）上厚MOS管壞，若保護板（B）為NG的，而保護板（A）為OK的，則保護板（B）上原IC有問題。另一個方法就是通過測量來判定，一般在無電壓時，好的MOS管腳R14、R24間阻值為10MΩ左右，R21（或R31）間阻值一個為10MΩ左右，把萬用表換個方向，則應(yīng)為幾十Ω左右。第39頁,共49頁，2024年2月25日，星期天3、放電不良（負載電壓低）：若電池放電不良則可以從以下幾種情況來分析：A、電芯負載電壓低，可用萬用表帶5W10Ω負載直接測電芯正負極，確認電芯帶負載電壓能否達到標準，一般電壓比標準值低的不是很多，可以重新充電，放置幾天重檢OK即可出貨。

B、保護板帶不起負載，其分析方法為：萬用表帶5W10Ω負載，用紅表筆接觸電芯正極不動，黑表筆分別接觸MOS管2（3）與腳5（6），確認萬用表讀數(shù)有無變化，如有變動則為MOS管出問題，可用烙鐵重焊MOS管腳以確認是否管腳虛焊，也可測MOS管腳之間電阻值來判定（方法同無顯示中的“C”），若MOS管兩端帶負載讀數(shù)無變化，而五金P+、P-端帶負載又達不到要求或讀數(shù)為零，則應(yīng)為保護板過孔不通（其分析方法同無顯示中的“D”）。第40頁,共49頁，2024年2月25日，星期天4、ID異常：對一般保護板而言（除