鋰電池充電電路及保護電路方案設計

鋰電池特性

首先，晶片哥問一句簡單的問題，為什麼很多電池都是鋰電池?

鋰電池，工程師對它都不會感到陌生。在電子產品項目開發的過程中，尤其是遇到電池供電的類別項目，工程師就會和鋰電池打交道。

這是因為鋰電池的電路特性決定的。

眾所周知，鋰原子在化學元素周期表中排在第三位，包含3個質子與3個電子，其中3個電子在鋰原子核內部的分布對它的化學與物理特性起到決定性作用。

元素周期表

鋰原子核外層的3個電子，只有最外層的1個電子是自由電子，另外2個電子不屬於自由電子，也就是不參與鋰原子的電子性能。

為什麼會選用鋰元素作為電池的材料呢?

這是因為，鋰原子雖然最外層只有1個電子，但它的相對原子質量卻僅僅只有7。換句話說，在相同的質量密度條件下，鋰原子所帶的電能是最多的。

以鋁元素為例進行對比，可以直觀的得出結論。

鋁元素，在元素周期表排在13位，最外層自由移動的電子數是3，相對原子質量是27。

也就是如果用質量為27的鋁元素製造電池，它的電能是3;

如果用相同質量為27的鋰元素製造電池，它的電能是27*(1/7)，大約為3.86。

顯然，在電能方面，鋰元素的3.86是要超過鋁元素的3。這就是為什麼鋰電池如此受歡迎的原因理論解釋。

鋰電池的充電電路

在了解完鋰電池的基本電路特性後，工程師在開發帶有鋰電池供電的項目時，就會面臨鋰電池的充電電路問題。

鋰電池的電壓為3.0V ~ 4.2V之間變化，也就是鋰電池的最大電壓為4.2V，最小電壓為3.0V。最大電壓與最小電壓，對於鋰電池而言，隱藏著什麼電路含義呢?

單節鋰電池

最大電壓是4.2V，也就是鋰電池兩端能承受的極限電壓不超過4.2V;最小電壓為3.0V，也就是鋰電池兩端的極限放電電壓不低於3.0V;

換言之，它的另外一層電路意義是

鋰電池在接收外界的充電電路充電，它的最後充電電壓不能高於4.2V;鋰電池在向外界負載提供工作電源，它最後消耗的電壓會停留在3.0V;

基於此，如果工程師將常用的5V/1A或者5V/2A規格的充電器，對鋰電池進行直接充電，這樣是否可以呢?

充電器

顯然是不行的。為什麼呢?

因為無論是5V/1A或者5V/2A規格的充電器，對外輸出的充電電壓均為5V，超過了鋰電池最大的承受電壓4.2V。

針對這兩個電壓不匹配兼容的問題，該如何去解決呢?在不改變充電器5V/1A和5V/2A規格的條件下，工程師應當如何去實現呢?

常用的電路解決方案是TP4054充電管理晶片

TP4054充電管理晶片，是一款適合單節鋰電池的充電管理晶片，屬於恆壓恆流的線性充電類型，充電電壓固定於4.2V，充電電流最大支持800mA，並且自身的待機消耗電流只有2uA。

TP4054應用電路圖

在TP4054充電管理晶片應用電路圖中，工程師可以很清楚地觀察到，整個電路設計的方案非常簡潔，外圍電路只有幾個電阻電容和LED燈，省去了外置的MOS管，與此同時也節約了設計的BOM表成本。

Pin 1引腳CHRG：TP4054晶片的充電狀態指示功能。在充電的過程中，連接的LED為亮;充電充滿的時候，連接的LED為滅;

Pin 2引腳GND：TP4054晶片的參考地，屬於電路的公共端;

Pin 3引腳BAT：TP4054晶片的充電輸出端，直接連接到單節鋰電池的正極。

Pin 4引腳VCC：TP4054晶片的電源輸入端，也是單節鋰電池的充電輸入接口，電壓工作範圍為4.5V~6.5V，正好滿足5V/1A和5V/2A規格的充電器輸出電壓;

Pin 5引腳PROG：TP4054晶片的充電電流設置功能，選擇不同的阻值R1，就可以設定不同的充電電流I

具體的對應關係為

(1)在充電電流I 設定不大於0.15A時，R1 = 1000 / I;

(2)在充電電流I 設定大於0.15A時， R1 = 1000 / I * (1.2 - 4 * I /3);

舉例說明，當充電的電流設定為0.1A，R1電阻的阻值就被選定為了 10K;當充電的電流設定為0.5A，R1電阻的阻值就被選定為了 1K;

至此，是不是以為TP4054晶片的電路解決方案，很完美地解決了單節鋰電池充電的問題了。它不僅完成了鋰電池的充電功能，還擁有充電狀態指示燈功能，並且還可以設定充電的電流大小。

No，No，No......

晶片哥在實際開發電路項目的過程中，發現TP4054晶片，它不具有在鋰電池充滿的時候自動斷電功能;沒有自動斷電功能，引發的後果是在沒有被切斷充電器的電源時，鋰電池是一直被TP4054晶片在充電的。

這也是TP4054晶片的一個小小的不足之處。

TP4054晶片之所以有充電LED指示功能，就是用LED亮滅的變換提醒用戶，該手動切斷電源了，不然就是一直在充電哦，

鋰電池的保護電路

說完鋰電池的充電電路，接下來就要講講它的放電電路了。充電是從外界吸收電能，放電是向外界(負載)提供電能，這就是電池的使命。

沒辦法，使命難為啊，嗯嗯嗯~~~從這個意義上來說，奶牛要比電池偉大多了，畢竟奶牛是吃的是草，擠出來的卻是奶;而電池是吃的是電，擠出來的還是電，簡直就是大自然的搬運工啊，哈哈~

幽默一下，言歸正傳

鋰電池的放電過程，其實就是等效於電容的放電過程。電容兩端連接電阻負載，形成一個簡單的工作迴路，如果外界不加以幹涉，電容存儲的電量就會被一直消耗，直到電量為零。

顯然這樣的放電過程，對於鋰電池是完全不能接受的。鋰電池的電量放電為零，就等同於鋰電池兩端的電壓為零， 電池電量Q = 電池電容C * 電池電壓U;

因為鋰電池的電壓範圍是維持在3.0V ~ 4.2V，不能為零。如果鋰電池電壓由於負載的消耗變為零，鋰電池的壽命會呈現指數級衰減。

這就是引入鋰電池保護電路的原因。

理論雖如此，實際項目開發中該具體怎麼操作呢?什麼方案可以解決呢?

DW01晶片與8205 MOS管的電路設計方案就能較好地勝任

DW01晶片與8205 MOS管應用電路

在DW01晶片與8205 MOS管應用電路圖中，BATT+屬於鋰電池放電的正極，BATT-屬於鋰電池放電的負極。

Pin 1引腳 OD：DW01晶片的放電迴路控制引腳，也就是控制M1 MOS管的導通與關閉;

Pin 2引腳 CS：DW01晶片的放電(充電)電流控制引腳，通過此引腳的設置，可以選擇放電(充電)的最大電流值;

Pin 3引腳 OC：DW01晶片的充電迴路控制引腳，也就是控制M2 MOS管的導通與關閉;

Pin 4引腳 TD：DW01晶片的時間延長設置引腳，設定晶片的反應時間;

Pin 5引腳 VCC：DW01晶片的工作電源輸入引腳，一般是通過一個電阻連接;

Pin 6引腳 GND：DW01晶片的參考地引腳，作為公共地;

其中，8205是N溝道的雙MOS管，就是對應到電路圖中的兩個MOS管。

在鋰電池對外界放電的過程中，DW01晶片OD引腳控制M1 MOS管導通，OC引腳控制M2 MOS管關閉，此時鋰電池、M1 MOS管和 M2 MOS管內部下面的二極體組成一個放電迴路;

兩個重要參數不得不提，其一是鋰電池的放電電壓，其二是鋰電池的放電電流，它們是鋰電池保護電路的核心。

晶片哥瀏覽DW01晶片的數據手冊，得知

DW01晶片參數

放電保護電壓3.0V±0.1，放電電流檢測電壓150mV±30;

DW01晶片的放電保護電壓3.0V，正好與單節鋰電池的最低放電電壓3.0V吻合，似乎是天造地設的一對~~~

現在是否明白了為什麼DW01晶片能對鋰電池放電起到保護的作用了吧。

還有一個保護的參數放電電流，這個參數工程師怎麼去設定呢?要想根據實際的項目需求，設定鋰電池的放電電流，關鍵在於理解DW01晶片的應用電路本質。

DW01晶片內部電路圖

DW01晶片Pin 2引腳CS，內部電路連接的是一個比較器，因此在鋰電池對外放電時，引腳CS兩端的電壓如果被檢測到超過150mV，那麼就會通過關閉8205 MOS管而關閉鋰電池對外放電的迴路，也就起到了過流保護功能。

剩下的問題就是引腳CS兩端的電壓150mV與鋰電池放電的電流量化大小關係了?

還是回到DW01晶片與8205 MOS管應用電路圖中，鋰電池、M1 MOS管和 M2 MOS管內部下面的二極體構成一個完整的放電電路。

為了把問題寫得更清楚，晶片哥也是拼了，不知不覺碼了很多字，敲鍵盤手都有些酸了，不過能看到這裡的都是真愛，哈哈~~~

由於M1 MOS管的一端是連接鋰電池的負極GND，另外一端是連接DW01晶片的引腳CS，而DW01晶片的引腳CS檢測保護電壓是150mV，等同於M1 MOS管的兩端保護電壓是150mV;

再接著瀏覽8205 MOS管的數據手冊，查看它的內部導通電阻是小於37mΩ

8205 MOS管參數

DW01晶片的放電保護電流就等於什麼?等於引腳CS檢測保護電壓150mV 除以 8205 MOS管的導通內阻 (小於37mΩ)，也就是大約為5A。

至此DW01晶片的放電電壓保護以及電流保護原理已經介紹好了

鋰電池的總結

講述完鋰電池的充電電路原理，工程師可以選用TP4054晶片開發設計出鋰電池的充電方案;

講述完鋰電池的保護電路原理，工程師可以選用DW01晶片與8205 MOS管開發設計出鋰電池的保護電路方案;

充電方案與保護方案，二者不是獨立的，是互相依賴，共同才能組成一個完整的鋰電池充放電管理設計方案。將TP4054應用電路圖中的Pin 3引腳BAT電池正極與電池負極，連接到DW01晶片與8205 MOS管應用電路中的BATT+與BATT-，這樣就構成了一個功能完好的鋰電池充放電管理電路設計方案。

作者：晶片哥

來源：今日頭條

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