手機(jī)鋰離子電池保護(hù)線路全剖析
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我想這里有兩個(gè)問題要澄清:
1.長時(shí)間對鋰離子電池充電,如果是用的原裝正品的充電器或座充,確實(shí)是不會(huì)有損害的.這個(gè)不是因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://cafeforensic.com/news/listbylabel/label/保護(hù)線路">保護(hù)線路的功勞,而是靠充電線路的嚴(yán)格精確的設(shè)計(jì)來保證的.
2.有保護(hù)線路的存在,并不能完全的防止鋰離子電池的過充的發(fā)生,保護(hù)線路只有在電池過充的時(shí)候才會(huì)起防止進(jìn)一步過充的作用.
這是幾個(gè)數(shù)據(jù)
RICOH推出的適合4.2V鋰離子電池的保護(hù)芯片,其過充保護(hù)電壓是4.35V+/-0.05V,日本精工SIEKO推出的8241系列中適合4.2V鋰離子電池的保護(hù)芯片,其過充保護(hù)電壓是4.275V+/-0.025V
而鋰離子電池充飽的時(shí)候,其電池電壓應(yīng)該落在4.20V+/-0.04V之間,并沒有觸發(fā)保護(hù)線路動(dòng)作.之所以廠家說明長時(shí)間充電不會(huì)過充是因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://cafeforensic.com/news/listbylabel/label/手機(jī)">手機(jī)的充電管理確保在電池電壓已經(jīng)到達(dá)4.20V以后不會(huì)繼續(xù)充電.而是保持監(jiān)視狀態(tài).
等到了過充保護(hù)的電壓,比如4.275V,這個(gè)鋰離子電池已經(jīng)是過充了,此時(shí)保護(hù)線路才被切斷.防止進(jìn)一步過充的危險(xiǎn).
講完了這個(gè)認(rèn)識誤區(qū),下面帶大家認(rèn)識一下手機(jī)鋰離子電池的內(nèi)部機(jī)構(gòu).主要談一下鋰離子的保護(hù)線路的功能及其工作原理.有興趣的網(wǎng)友可以往下看:
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鋰離子保護(hù)線路全解剖
一般用戶接觸到手機(jī)鋰離子電池,在外面看到的除了電池外殼,還有就是幾個(gè)五金觸片了,如圖中"電池正極,電池負(fù)極"就是的電池正負(fù)極輸出.
┏━━Fuse━━━━━┳━━━━━━━━━┫電池正極
┃ R1
┃ ┃
┇ ┏┻━━┓
┏┻┓ ┃保護(hù)IC┃
┏┻━┻┓ ┏┫ ┃
┃ ┃ ┃┗━━┳┛ ┏━━┫標(biāo)識電阻
┃鋰離子┃ ┃ ┃ ┃
┃電芯 ┃ ┃ ┃ R2
┃ ┃ ┃ ┃ ┃
┗━┳━┛ ┃ ┻Mosfet┃
┃ ┃ ┏╈┓ ┃
┗━━━━━━━┻━━┻┛┗━━━┻━━┫電池負(fù)極
而實(shí)際真正供電的源泉是電池塑料殼里面的鋰離子電池芯,但是由于鋰離子電芯的"嬌嫩"的特性,比如過充和過放,大電流放電,短路等非常規(guī)動(dòng)作都會(huì)對鋰離子電芯造成極大的傷害.所以保護(hù)線路的功能就是在上述非常規(guī)動(dòng)作發(fā)生時(shí)及時(shí)的切斷回路.保護(hù)鋰離子電芯.而這些保護(hù)動(dòng)作就是圖中的保護(hù)IC來判斷,由它來控制一對Mosfet場效應(yīng)管來導(dǎo)通和切斷主供電回路,對鋰離子電芯進(jìn)行保護(hù).
市面上常用的這種保護(hù)IC的生產(chǎn)廠商有SEIKO精工,RICOH理光,Motorala摩托羅拉半導(dǎo)體等.
以精工的S8241系列芯片來具體介紹各項(xiàng)保護(hù)功能.
眾所周知,以恒壓充電限制電壓來劃分,鋰離子電池有4.1V恒壓充電和4.2V恒壓充電兩種類型.現(xiàn)在4.1V的版本已經(jīng)很少,絕大多數(shù)是4.2V的恒壓充電類型的.下面的數(shù)據(jù)就只針對4.2V恒壓充電的鋰離子電池來討論.
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保護(hù)IC+Mosfet可以實(shí)現(xiàn)的功能如下(四大保護(hù)):
1.過充保護(hù),當(dāng)電池芯的電壓超過設(shè)定值時(shí),由保護(hù)IC切斷Mosfet管.等電芯電壓回歸到允許的電壓是,重新恢復(fù)Mosfet管的導(dǎo)通.
過充檢測電壓:4.275V+/-0.025V,電芯電壓一超過這個(gè)值,就觸發(fā)過充保護(hù)
過充釋放電壓:4.175V+/-0.030V,處于過充保護(hù)的電芯電壓只有降到這個(gè)值時(shí)才會(huì)停止保護(hù).
過充保護(hù)延時(shí):1秒.當(dāng)電壓持續(xù)超過過充檢測電壓1秒以上才會(huì)觸發(fā)過充保護(hù),這個(gè)是為了防止誤判和誤操作而設(shè)置的.
2.過放保護(hù),當(dāng)電池芯的電壓降低得超過設(shè)定值時(shí),由保護(hù)IC切斷Mosfet管.等電芯電壓回歸到允許的電壓時(shí),重新恢復(fù)Mosfet管的導(dǎo)通.
過放檢測電壓:2.3V+/-0.08V
過放釋放電壓:2.4V
過放保護(hù)延時(shí):125毫秒
參數(shù)的含義與過充保護(hù)的類似,不贅述.
3.過流保護(hù),當(dāng)工作電流超出設(shè)定值時(shí),由保護(hù)IC切斷Mosfet管.等工作電流回歸到允許的電壓是,重新恢復(fù)Mosfet管的導(dǎo)通.
過流電流壓降:0.1V,這里保護(hù)IC判斷的是電流流過Mosfet而產(chǎn)生的壓降,用這個(gè)電壓除于Mosfet的導(dǎo)通阻抗就可以近似得到過流保護(hù)的電流.一般在3~5A左右.
過流延時(shí):8毫秒,注意這個(gè)延時(shí)比前面的幾個(gè)過充過放的延時(shí)要短許多.
4.短路.其實(shí)這個(gè)功能是過流保護(hù)的擴(kuò)展,當(dāng)保護(hù)IC檢測電池輸出正負(fù)極之間電壓小于規(guī)定值時(shí),認(rèn)為此時(shí)電池處于短路狀態(tài),立即切斷回路.等短路的故障排除再恢復(fù)回路.短路時(shí)電池的輸出正負(fù)極的電壓為零,而實(shí)際電芯的電壓還是正常的.
短路檢測延時(shí):10微秒,這個(gè)延時(shí)更是短暫,幾乎是短路的瞬間就切斷了回路,可以避免短路對電池帶來的巨大損傷.
還有一個(gè)參數(shù),稱為保護(hù)IC的自耗,如上圖,可以看到,保護(hù)IC是通過電阻R1利用了電芯的電壓來進(jìn)行工作的.不可避免的要消耗一部分電池的容量.一般保護(hù)IC的功耗是做的非常小的.在3微安左右,最大不超過6微安.
在保護(hù)回路里面還有一個(gè)器件,如上圖標(biāo)示的Fuse,就是保險(xiǎn)絲.它是串聯(lián)在電池的回路中.它的作用是在保護(hù)線路失效的情況下,作為最后的防線,對于過流或高溫的鋰離子電池進(jìn)行切斷回路的動(dòng)作.該Fuse根據(jù)工作原理分為一次性保險(xiǎn)絲(就象家里電表下用的那種)和可恢復(fù)保險(xiǎn)絲(又稱為PTC). 有了如此完備的保護(hù)線路,一般用戶想用壞鋰離子電池都有點(diǎn)困難.但是這并不是意味著用戶可以隨意的濫用鋰離子電池.同樣有許多的地方是需要注意的.
下圖是根據(jù)鋰離子電池電壓根據(jù)實(shí)際使用劃分的幾個(gè)區(qū)域.
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高壓危險(xiǎn)區(qū)
---------------保護(hù)線路過充保護(hù)電壓(4.275~4.35V)
高壓警戒區(qū)
---------------鋰離子電池充電限制電壓4.20V
正常使用區(qū)
---------------鋰離子電池放電終止電壓(2.75~3.00V)
低壓警戒區(qū)
---------------保護(hù)線路過放保護(hù)電壓(2.3~2.5V)
低壓危險(xiǎn)區(qū)
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1.在正常使用區(qū)內(nèi).鋰離子電池可以正常發(fā)揮其特性,也沒有危險(xiǎn).
2.高壓警戒區(qū).雖然這個(gè)區(qū)域處于保護(hù)線路的保護(hù)范圍之內(nèi),并不意味著此時(shí)鋰離子電池也是安全的.長期處于這種程度的過充,會(huì)很快的降低電池的循環(huán)壽命.
據(jù)我測試,將新鋰離子電池充電到4.3V使用可以比充電到4.2V的鋰離子電池提高15%左右的容量,但是在50次循環(huán)以后,其容量衰減到原來的80%,壽命整整縮短了10倍.記得網(wǎng)友battery老兄喜歡把鋰離子電池過充了用,這樣可以暫時(shí)提高前幾次循環(huán)的容量,容量不夠了就換一節(jié)新的.我們廣大網(wǎng)友恐怕沒有這個(gè)資本,還是老老實(shí)實(shí)的使用吧.這種低度過充的鋰離子電池往往在幾十次循環(huán)以后就會(huì)產(chǎn)生發(fā)鼓等變形.
3.低壓警戒區(qū).處于該區(qū)域的鋰離子電池不適合快速充電,要先用小電流將電池電壓提升到3.0V以上才可以快速充電.否則容易導(dǎo)致鋰離子極性材料發(fā)生不良反應(yīng),影響電池性能.而這個(gè)電壓的鋰離子電池也非常容易因?yàn)殡姵乇旧淼淖院暮弯囯x子保護(hù)線路的自耗很快的掉近低壓危險(xiǎn)區(qū).那就危險(xiǎn)了.而且這個(gè)自耗是保護(hù)線路無法保護(hù)的.
4.低壓危險(xiǎn)區(qū),長期處于低壓危險(xiǎn)區(qū)的鋰離子電池,性能將近一步惡化.
在低電壓(小于2V)或更低的電壓情況下,正極材料的鈷鋰酸(又稱尖晶石)晶格發(fā)生變化,其晶體機(jī)構(gòu)會(huì)以枝晶形式生產(chǎn).這種枝晶發(fā)展長大的話會(huì)戳穿正負(fù)極的隔膜,導(dǎo)致電池微短路.進(jìn)一步惡化電池的性能.甚至導(dǎo)致電池發(fā)生膨脹,徹底報(bào)廢.
5.高壓危險(xiǎn)區(qū).此時(shí)保護(hù)線路已經(jīng)失效,或者根本沒有保護(hù)線路.在這個(gè)區(qū)域的鋰離子電池(特別是4.8V以上),鋰離子內(nèi)部會(huì)發(fā)生劇烈的反應(yīng),產(chǎn)生強(qiáng)大的熱量,導(dǎo)致電池內(nèi)壓正極,使電芯變形,不同于低度過充,這種變化是一次性的,即一次高度過充就可以造成電池發(fā)鼓.甚至爆炸.
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以下是幾點(diǎn)鋰離子電池的與保護(hù)線路相關(guān)的注意事項(xiàng)
1.不要試圖直接短路鋰離子電池來強(qiáng)行放電.這樣做只有兩種結(jié)果,一是保護(hù)線路起作用,那么什么事也不會(huì)發(fā)生.二是保護(hù)線路失效,那樣就會(huì)造成過流或直接電芯的短路,就會(huì)觸發(fā)fuse動(dòng)作,如果里面也沒有fuse的保護(hù)(很多雜牌鋰離子電池就是沒有fuse或PTC),那么這種短路的瞬間電流將達(dá)到十幾甚至幾十安培,足以燒毀線路板,使導(dǎo)線發(fā)紅.要是碰上皮膚那就更慘了.
2.不要使用不合格(沒有認(rèn)證)的充電器或座充,鋰離子電池的充電過充需要嚴(yán)格的電壓控制,這點(diǎn)做的不好的充電器會(huì)對鋰離子電池造成低度過充,雖然最后有保護(hù)線路的保護(hù),但是已經(jīng)過充了.
3.不要在電池兩端加高壓,保護(hù)芯片也有極限的承受電壓,一般在12V左右,在往上往往會(huì)擊穿保護(hù)芯片.
4.不要逆接電池正負(fù)極進(jìn)行充電,同樣會(huì)損傷保護(hù)IC
5.注意鋰離子電池的使用環(huán)境,潮濕,高溫,靜電會(huì)導(dǎo)致保護(hù)IC或Mosfet失效的.手機(jī)落入水中,在記得吹干手機(jī)主板的同時(shí),也要對鋰離子電池進(jìn)行晾干處理,但不要用電吹風(fēng)吹干.高溫(60度以上)對鋰離子電池是有害的.
很有趣的是第一點(diǎn).有興趣的網(wǎng)友可以根據(jù)鋰離子電池保護(hù)線路的短路保護(hù)功能來測試一下你的保護(hù)線路是否有效.最后找一個(gè)指針式的直流電流表(5A量程左右),對電池的正負(fù)極直接短路,你可以看到電流表指針會(huì)動(dòng)一下并迅速歸零.這就說明在幾個(gè)微妙之內(nèi)保護(hù)線路已經(jīng)動(dòng)作了.這是檢測你的鋰離子電池有沒有保護(hù)線路的一個(gè)簡單有效的辦法.采用數(shù)字式的電流表也行,都要把量程設(shè)成最大的安培檔(2A以上的).
以上談?wù)摰氖菃喂?jié)鋰離子電池的保護(hù)線路,不包括串聯(lián)兩節(jié)以上的保護(hù)IC,道理大同小異.
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在第一個(gè)圖中,我畫了一個(gè)標(biāo)識電阻R2,如果這個(gè)電阻是個(gè)常規(guī)的定值電阻,那么就是手機(jī)用來區(qū)別電池類型用的.三星的手機(jī)在隱藏菜單中可以看到這個(gè)電阻值.他們的手機(jī)用不同的電阻來區(qū)分不同容量的電池(厚薄電)
如果這個(gè)電池是個(gè)熱敏電阻(NTC),那么它就可以告訴手機(jī)或充電器電池的溫度,因此手機(jī)或充電器就有了對電池溫度的檢測能力.當(dāng)電池溫度超出范圍(比如0度~40度以外),手機(jī)或座充就不對鋰離子電池進(jìn)行充電動(dòng)作.這也是對鋰離子電池的保護(hù).
有些電池會(huì)有兩個(gè)以上的標(biāo)識電阻(一個(gè)常規(guī)電阻,一個(gè)熱敏電阻)或?qū)Ｓ玫淖R別芯片來執(zhí)行這個(gè)功能.原理都是一樣的.目的就是確保更好的的使用鋰離子電池.
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