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锂电池保护板的基础知识普及

2014-07-08 11:18阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/1263460564

郑州正方科技为您解读锂电池保护板知识

第一章 保护板的构成和主要作用
一、保护板的构成
锂电池（可充型）之所以需要保护，是由它本身特性决定的。由于锂电池本身的材料
决定了它不能被过充、过放、过流、短路及超高温充放电，因此锂电池锂电组件总会跟着
一块精致的保护板和一片电流保险器出现。锂电池的保护功能通常由保护电路板和PTC协
同完成，保护板是由电子电路组成，在-40℃至+85℃的环境下时刻准确的监视电芯的电压
和充放回路的电流，即时控制电流回路的通断；PTC在高温环境下防止电池发生恶劣的损
坏。
保护板构成图
保护板通常包括控制IC、MOS开关、电阻、电容及辅助器件NTC
、ID存储器等。其中控制IC
，在一切正常的情况下控制MOS开关导通，使电芯与外电路沟通，而当电芯电压或回路电流超过
规定值时，它立刻（数十毫秒）控制MOS开关关断，保护电芯的安全。NTC是Negative temperature
coefficient的缩写，意即负温度系数，在环境温度升高时，其阻值降低，使用电设备或充电设备及
时反应、控制内部中断而停止充放电。ID 存储器常为单线接口存储器，ID是Identification 的缩写即
身份识别的意思，存储电池种类、生产日期等信息。可起到产品的可追溯和应用的限制。
锂电池保护板元器件指示图

二、保护板的主要作用
一般要求在-25℃～85℃时Control(IC)检测控制电芯电压与充放电回路的工作电流、电压，在
一切正常情况下C-MOS开关管导通，使电芯与保护电路板处于正常工作状态，而当电芯电压或回路
中的工作电流超过控制IC中比较电路预设值时，在15～30ms内（不同控制IC与C-MOS有不同的响应
时间），将CMOS关断，即关闭电芯放电或充电回路，以保证使用者与电芯的安全。

第二章 保护板的工作原理


保护板的工作原理图：
锂电池保护板工作原理图
如图中，IC由电芯供电，电压在2v－5v均能保证可靠工作。
1、过充保护及过充保护恢复
当电池被充电使电压超过设定值VC(4.25-4.35V，具体过充保护电压取决于IC)后，VD1翻转
使Cout变为低电平，T1截止，充电停止.当电池电压回落至VCR(3.8-4.1V，具体过充保护恢复电
压取决于IC)时，Cout变为高电平，T1导通充电继续， VCR必须小于VC一个定值，以防止频繁跳
变。
2、过放保护及过放保护恢复
当电池电压因放电而降低至设定值VD（2.3-2.5V，具体过充保护电压取决于IC）时， VD2翻
转，以短时间延时后，使Dout变为低电平，T2截止，放电停止，当电池被置于充电时，内部或门
被翻转而使T2再次导通为下次放电作好准备。
3、过流、短路保护
当电路充放回路电流超过设定值或被短路时，短路检测电路动作，使MOS管关断，电流截止。

第三章 保护板主要零件的功能介绍
锂电池保护板指示图
R1：基准供电电阻；与IC内部电阻构成分压电路，控制内部过充、过放电压比较器的电平
翻转；一般在阻值为330Ω、470Ω比较多；当封装形式（即用标准元件的长和宽来表示元件大小
，如0402封装标识此元件的长和宽分别为1.0mm和0.5mm）较大时，会用数字标识其阻值，如
贴片电阻上数字标识473， 即表示其阻值为47000Ω即47KΩ（第三位数表示在前两位后面加0的
位数）。R2：过流、短路检测电阻；通过检测VM端电压控制保护板的电流 ，焊接不良、损坏会
造成电池过流 、短路无保护，一般阻值为1KΩ、2KΩ较多。R3：ID识别电阻或NTC电阻（前面有
介绍）或两者都有。总结：电阻在保护板中为黑色贴片，用万用表可测其阻值，当封装较大时其
阻值会用数字表示，表示方法如上所述，当然电阻阻值一般都有偏差，每个电阻都有精度规格，
如10KΩ电阻规格为+/－5％精度则其阻值为9.5KΩ －10.5KΩ范围内都为合格。C1、C2：由于电
容两端电压不能突变，起瞬间稳压和滤波作用。
总结：电容在保护板中为黄色贴片，封装形式0402较多，也有少数0603封装(1.6mm长,0.8mm
宽)；用万用表检测其阻值一般为无穷大或MΩ级别；电容漏电会产生自耗电大，短路无自恢复现
象。FUSE：普通FUSE或PTC（Positive Temperature Coefficient的缩写，意思是正温度系数）；
防止不安全大电流和高温放电的发生，其中PTC有自恢复功能。
总结：FUSE在保护板中一般为白色贴片，LITTE公司提供FUSE会在FUSE上标识字符D-T，字符表
示意思为FUSE能承受的额定电流，如表示D额定电流为0.25A，S为4A，T为5A等；现我司所有较
多为额定电流为5A的FUSE，即在本体上标识字符’T’。
U1：控制IC；保护板所有功能都是IC通过监视连接在VDD-VSS间的电压差及VM-VSS间的电压差而
控制C-MOS执行开关动作来实现的。
Cout：过充控制端；通过MOS管T2栅极电压控制MOS管的开关。
Dout：过放、过流、短路控制端；通过MOS管T1栅极电压控制MOS管的开关。
VM：过流、短路保护电压检测端；通过检测VM端的电压实现电路的过流、短路保护
（U（VM）=I*R（MOSFET））。
总结：IC在保护板中一般为6个管脚的封装形式，其区别管脚的方法为：在封装体上标识黑点的附近
为第1管脚，然后逆时针旋转分别为第2、3、4、5、6管脚；如封装体上无黑点标识，则正看封装体
上字符左下为第1管脚，其余管脚逆时针类推）C-MOS：场效应开关管；保护功能的实现者 ；连焊、
虚焊、假焊、击穿时会造成电池无保护、无显示、输出电压低等不良现象。总结：CMOS在保护板中
一般为8个管脚的封装形式，它时由两个MOS管构成，相当于两个开关，分别控制过充保护和过放、
过流、短路保护；其管脚区分方法和IC一样。

在保护板正常情况下，Vdd为高电平，Vss、VM为低电平，Dout、Cout为高电平；当Vdd、Vss、VM
任何一项参数变换时，Dout或Cout的电平将发生变化，此时MOSFET执行相应的动作（开、关电路）
，从而实现电路的保护和恢复功能。

第四章 保护板主要性能测试方法
1．NTC电阻测试：
用万用表直接测量NTC电阻值，再与《温度变化与NTC阻值对照指导》对比。
2．识别电阻测试：
用万用表直接测量识别电阻值，再与《保护板重要项目管理表》对比。
3.自耗电测试：
调恒流源为3.7V/500mA；万用表设置为uA档，表笔插入uA接孔，然后与恒流源串联起来接保护板
B+、B-如下图所示：此时万用表的读数即为保护板的自耗电，如无读数用镊子或锡线短接B-、P-，
激活电路。
保护板指示图2
4.短路保护测试：
电芯接到保护板B+、B-上，用镊子或锡线短接B-、P-，再短接P+、P-；短路后用万用表测保护板开
路电压（如下图所示）；反复短接3-5次，此时万用表读数应与电芯一致，保护板应无冒烟、爆裂等
现象。
锂电池保护板连接图
如上图所示接好电路，按照重要项目管理表设置好锂易安数据，再按自动按钮，接好后按红表笔上
的按钮进行测试。此时锂易安测试仪的灯应逐次点亮，表示性能OK。按显示键检查测试数据：‘Chg’
表示过充保护电压；‘Dis’表过放保护电压；‘Ocur’表示过流保护电流。
第五章 保护板常见不良分析
一、 无显示、输出电压低、带不起负载：
此类不良首先排除电芯不良（电芯本来无电压或电压低），如果电芯不良则应测试保护板的自耗电
，看是否是保护板自耗电过大导致电芯电压低。如果电芯电压正常，则是由于保护板整个回路不通
（元器件虚焊、假焊、FUSE不良、PCB板内部电路不通、过孔不通、MOS、IC损坏等）。具体分析
步骤如下：
（一）、用万用表黑表笔接电芯负极，红表笔依次接FUSE、R1电阻两端，IC的Vdd、Dout、Cout
端，P+端（假设电芯电压为3.8V），逐段进行分析，此几个测试点都应为3.8V。若不是，则此段
电路有问题。
1. FUSE两端电压有变化：测试FUSE是否导通，若导通则是PCB板内部电路不通；若不导通则FUSE
有问题（来料不良、过流损坏（MOS或IC控制失效）、材质有问题（在MOS或IC动作之前FUSE被烧
坏），然后用导线短接FUSE，继续往后分析。
2. R1电阻两端电压有变化：测试R1电阻值，若电阻值异常，则可能是虚焊，电阻本身断裂。若电阻
值无异常，则可能是IC内部电阻出现问题。
3. IC测试端电压有变化：Vdd端与R1电阻相连。Dout、Cout端异常,则是由于IC虚焊或损坏。
4. 若前面电压都无变化，测试B-到P+间的电压异常，则是由于保护板正极过孔不通。
（二）、万用表红表笔接电芯正极，激活MOS管后，黑表笔依次接MOS管2、3脚，6、7脚，P-端。
1.MOS管2、3脚，6、7脚电压有变化,则表示MOS管异常。
2.若MOS管电压无变化，P-端电压异常，则是由于保护板负极过孔不通。
二、 短路无保护：
1. VM端电阻出现问题：可用万用表一表笔接IC2脚，一表笔接与VM端电阻相连的MOS管管脚，确认
其电阻值大小。看电阻与IC、MOS管脚有无虚焊。
2. IC、MOS异常：由于过放保护与过流、短路保护共用一个MOS管，若短路异常是由于MOS出现问
题，则
此板应无过放保护功能。
3. 以上为正常状况下的不良，也可能出现IC与MOS配置不良引起的短路异常。如前期出现的BK-901
，其型号为‘312D’的IC内延迟时间过长，导致在IC作出相应动作控制之前MOS或其它元器件已被损坏。
注：其中确定IC或MOS是否发生异常最简易、直接的方法就是对有怀疑的元器件进行更换。

三、 短路保护无自恢复：
1. 设计时所用IC本来没有自恢复功能,如G2J，G2Z等。
2. 仪器设置短路恢复时间过短，或短路测试时未将负载移开，如用万用表电压档进行短路表笔短接后
未将表笔从测试端移开（万用表相当于一个几兆的负载）。
3. P+、P-间漏电，如焊盘之间存在带杂质的松香，带杂质的黄胶或P+、P-间电容被击穿,IC Vdd到Vs
s间被击穿.（阻值只有几K到几百K）.
4. 如果以上都没问题，可能IC被击穿，可测试IC各管脚之间阻值。
四、 内阻大：
1. 由于MOS内阻相对比较稳定，出现内阻大情况，首先怀疑的应该是FUSE或PTC这些内阻相对比较容
易发生变化的元器件。
2. 如果FUSE或PTC阻值正常，则视保护板结构检测P+、P-焊盘与元器件面之间的过孔阻值，可能过孔
出现微断现象，阻值较大。
3. 如果以上多没有问题，就要怀疑MOS是否出现异常：首先确定焊接有没有问题；其次看板的厚度（
是否容易弯折），因为弯折时可能导致管脚焊接处异常；再将MOS管放到显微镜下观测是否破裂；最
后用万用表测试MOS管脚阻值，看是否被击穿。
五、 ID异常：
1. ID电阻本身由于虚焊、断裂或因电阻材质不过关而出现异常：可重新焊接电阻两端，若重焊后ID正
常则是电阻虚焊，若断裂则电阻会在重焊后从中裂开。
2. ID过孔不导通：可用万用表测试过孔两端。
3. 内部线路出现问题：可刮开阻焊漆看内部电路有无断开、短路现象。

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