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鋰電心保護扳的核心器件及電路簡介
來源: 日期:2013-11-5 23:28:32 人氣:標簽:
(1)電子開關
保護板 基本的功能就是欠壓保護和過壓保護。欠壓保護另一個代名詞叫放電保護:過壓保護另一個代名詞叫充電保護。實際就是兩個開關:充電時,單電心過壓,充電保護開關斷開,切斷充電電路;放電時,單電心到達截止電壓,放電保護開關斷開.切斷外電路放電。
無論放電保護開關還是充電保護開關,要求速度很快,只有電子開關才能勝任。綜合成本和內阻,nmos功率管是 佳選擇。電路圖符號見下圖(a)nmos管符號。
nmos即n溝道增強型場效應管,屬于電壓控制型半導體器件,有三條引線分別為漏極d、源極s和柵極g。正確的供電方式為漏極d高電位、源極s低電位,柵極g的電位控制著漏極d源極s之間的導通和截止。把漏極d和源極s近似看作是一個開關。
當g比s電位高、達到開啟電壓(手冊上vcs)時,d、s之間導通,相當于開關閉合:當gs之間電壓為0v時,ds之間導電溝道被夾斷,相當于開關截止斷開。見下圖nmos功率管(c)等效圖。
還必須介紹一個生產實際,制造nmos管時.在漏極d和源極s之間自然生成一只硅二極管。這只硅二極管的正極p和源極d同極.硅二極管的負極n和漏極s同極.也就是等效開關還并聯著一只硅功率二極管。常稱這只客觀存在的硅二極管為寄生或者體二極管,實際應該表示為下圖(b)。在設計、分析保護板時不可以忽視它的存在。本文在不可忽視寄生二極管作用的地方均采用下圖(b)nmos管實物完整符號。
nmos管在正向導通時,屬于電子導電,d、s之間導通電阻很小。可到lomfl級,見下圖(c)nmos管等效圖的左圖。幾只nmos管并聯正向導通時,可以按電阻并聯計算,電流從漏極流向源極.ds之間壓降很小.接近0v。此時,寄生二極管截止,對ds導通沒有任何影響。
nmos管截止時.ds之間電阻無窮大,見下圖(c)nmos管等效圖的中圖。此時,如果ds之間加反電壓,即s電位高于d電位,見下圖(c)nmos管等效圖的右圖。請注意,該電壓對寄生二極管pn結來說是正向偏置電壓。大家知道硅二極管正向偏置電壓小于o,5v,硅二極管保持截止,硅二極管正向偏置電壓大于o.5v,開始導通,電流從p流向n,pn結的壓降從0.5v~0,7v—iv不等,電流小時保持在0.5v-0.7v之間,電流大到一定程度保持在0.7v左右,再大可到1v。
二極管導通具有空穴導電的性質.才存在正向壓降類似指數曲線的特性。因此,幾只二極管并聯導通也不能減小pn兩極之間的壓降。
小結:保護板nmos管正向導通時ds之間壓降近似ov;nmos“反向導通”時ds之間壓降恒定在0.7v~iv左右:寄生二極管的電流級別同nmos管。
(2)電壓比較器
電雎比較器是一個集成電路,電路符號如下圖.電壓比較器(a)所示,有五個接線端:電源+正極.電源一負極:兩個輸入端,同相輸入端,反相輸入端;一個輸+出端,見下圖(a)電壓比較器電路符號。
為了敘述輸出和輸入的關系.用a代表同相輸入端,b代表反相輸入端,c代表輸出端。如下圖(b)電壓比較器輸入輸出關系所示。
同相輸入端電位高于反相輸入端,輸出高電位:
同相輸入端電位低于反相輸入端,輸出低電位。規律非常好記:輸出總是和同相端相同,和反相端相反。
保護板的實際應用,有兩個電壓比較器,一個用于充電過壓檢測,輸出控制充電保護開關的g;-個用于放電截止電壓的檢測,輸出控制放電保護開關的g。
例如錳酸鋰電保護板,見下圖。圖(a)充電過壓保護:將充電過壓保護的電壓比較器的a接參考電位4.2v.b接電心的正極。當b低于4.2v的a肘.c輸出高電位.使充電保護開關接通,充電正常進行;當b高于4.2v的a時.c輸出低電位,使充電保護開關切斷,充電停止。
再看下圖(b)放電欠壓保護,負責放電欠壓保護的電壓比較器的b.接參考電位3v,a接電心的正極,當a高于3v的b時.c輸出高電位.使放電保護開關接通,正常放電:當a低于3v的b時.c輸出低電位,使放電保護開關切斷,對外放電停止。
(3)放電過流保護和外電路短路保護,
見下圖(c)鋰電雖然放電電流比鉛酸電池大,也必須控制。
因為,放電電流過大,溫度高會危害鋰電心壽命,嚴重的會引起燃燒和爆炸。內電路或外電路短路,都是引起燃燒和爆炸的導火索。
絕大多數保護板在具有欠壓、過壓基本功能的基礎上,增加了放電過流保護和外電路短路保護.這屬于錦上添花的高級功能之一。關鍵是將放電電流檢測,變為信號電壓后,再送入電壓比較器的輸入端,當電流達到一定值時,電壓比較器輸出低電平.關斷放電保護開關。也就是說,可以將它與放電欠壓保護的比較器合成到—起。
關于電流取樣有兩類:一種用康銅絲做成電流取樣電阻.如下圖(c)的中所示,電流越大.康銅絲兩端的電壓差越大;一種是兩只nmos管d_對d對接.如下圖'c)的上所示,電流越大,兩開關管串聯的電壓差越大。此信號加到下圖 (c)的下所示電壓比較器.該比較器的輸出端也去控制放電保護開關管的g。電流大到設定值.比較器動作,關斷放電保護開關管,切斷放電通路。
電動車以及電動工具等多電心、電流大的的基本都采用前者:手機等單電心、電流小的采用后者,成本低、集成度高,體積小。
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