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    鋰電池保護板的基礎知識普及

    發布時間:2017-05-25 瀏覽次數:
    ****章 保護板的構成和主要作用
    一、保護板的構成
          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。鋰電池的保護功能通常由保護電路板和PTC協
    同完成,保護板是由電子電路組成,在-40℃至+85℃的環境下時刻****的監視電芯的電壓
    和充放回路的電流,即時控制電流回路的通斷;PTC在高溫環境下防止電池發生惡劣的損
    壞。
    保護板構成圖
          保護板通常包括控制IC、MOS開關、電阻、電容及輔助器件NTC、ID存儲器等。其中控制IC
    ,在一切正常的情況下控制MOS開關導通,使電芯與外電路溝通,而當電芯電壓或回路電流超過
    規定值時,它立刻(數十毫秒)控制MOS開關關斷,保護電芯的安全。NTC是Negative temperature
     coefficient的縮寫,意即負溫度系數,在環境溫度升高時,其阻值降低,使用電設備或充電設備及
    時反應、控制內部中斷而停止充放電。ID 存儲器常為單線接口存儲器,ID是Identification 的縮寫即
    身份識別的意思,存儲電池種類、生產日期等信息。可起到產品的可追溯和應用的限制。
    鋰電池保護板元器件指示圖
     
    二、保護板的主要作用
          一般要求在-25℃~85℃時Control(IC)檢測控制電芯電壓與充放電回路的工作電流、電壓,在
    一切正常情況下C-MOS開關管導通,使電芯與保護電路板處于正常工作狀態,而當電芯電壓或回路
    中的工作電流超過控制IC中比較電路預設值時,在15~30ms內(不同控制IC與C-MOS有不同的響應
    時間),將CMOS關斷,即關閉電芯放電或充電回路,以保證使用者與電芯的安全。
           
                                    第二章 保護板的工作原理
     
    保護板的工作原理圖:
    鋰電池保護板工作原理圖
    如圖中,IC由電芯供電,電壓在2v-5v均能保證可靠工作。
    1、過充保護及過充保護恢復
         當電池被充電使電壓超過設定值VC(4.25-4.35V,具體過充保護電壓取決于IC)后,VD1翻轉
    使Cout變為低電平,T1截止,充電停止.當電池電壓回落至VCR(3.8-4.1V,具體過充保護恢復電
    壓取決于IC)時,Cout變為高電平,T1導通充電繼續, VCR必須小于VC一個定值,以防止頻繁跳
    變。
    2、過放保護及過放保護恢復
         當電池電壓因放電而降低至設定值VD(2.3-2.5V,具體過充保護電壓取決于IC)時, VD2翻
    轉,以短時間延時后,使Dout變為低電平,T2截止,放電停止,當電池被置于充電時,內部或門
    被翻轉而使T2再次導通為下次放電作好準備。
    3、過流、短路保護
          當電路充放回路電流超過設定值或被短路時,短路檢測電路動作,使MOS管關斷,電流截止。
     
                                第三章 保護板主要零件的功能介紹
    鋰電池保護板指示圖
            R1:基準供電電阻;與IC內部電阻構成分壓電路,控制內部過充、過放電壓比較器的電平
    翻轉;一般在阻值為330Ω、470Ω比較多;當封裝形式(即用標準元件的長和寬來表示元件大小
    ,如0402封裝標識此元件的長和寬分別為1.0mm和0.5mm)較大時,會用數字標識其阻值,如
    貼片電阻上數字標識473, 即表示其阻值為47000Ω即47KΩ(第三位數表示在前兩位后面加0的
    位數)。R2:過流、短路檢測電阻;通過檢測VM端電壓控制保護板的電流 ,焊接不良、損壞會
    造成電池過流 、短路無保護,一般阻值為1KΩ、2KΩ較多。R3:ID識別電阻或NTC電阻(前面有
    介紹)或兩者都有。總結:電阻在保護板中為黑色貼片,用萬用表可測其阻值,當封裝較大時其
    阻值會用數字表示,表示方法如上所述,當然電阻阻值一般都有偏差,每個電阻都有精度規格,
    如10KΩ電阻規格為+/-5%精度則其阻值為9.5KΩ -10.5KΩ范圍內都為合格。C1、C2:由于電
    容兩端電壓不能突變,起瞬間穩壓和濾波作用。
    總結:電容在保護板中為黃色貼片,封裝形式0402較多,也有少數0603封裝(1.6mm長,0.8mm
    寬);用萬用表檢測其阻值一般為無窮大或MΩ級別;電容漏電會產生自耗電大,短路無自恢復現
    象。FUSE:普通FUSE或PTC(Positive Temperature Coefficient的縮寫,意思是正溫度系數);
    防止不安全大電流和高溫放電的發生,其中PTC有自恢復功能。
    總結:FUSE在保護板中一般為白色貼片,LITTE公司提供FUSE會在FUSE上標識字符D-T,字符表
    示意思為FUSE能承受的額定電流,如表示D額定電流為0.25A,S為4A,T為5A等;現我司所有較
    多為額定電流為5A的FUSE,即在本體上標識字符’T’。
    U1:控制IC;保護板所有功能都是IC通過監視連接在VDD-VSS間的電壓差及VM-VSS間的電壓差而
    控制C-MOS執行開關動作來實現的。
         Cout:過充控制端;通過MOS管T2柵極電壓控制MOS管的開關。
         Dout:過放、過流、短路控制端;通過MOS管T1柵極電壓控制MOS管的開關。
           VM:過流、短路保護電壓檢測端;通過檢測VM端的電壓實現電路的過流、短路保護
    (U(VM)=I*R(MOSFET))。
    總結:IC在保護板中一般為6個管腳的封裝形式,其區別管腳的方法為:在封裝體上標識黑點的附近
    為第1管腳,然后逆時針旋轉分別為第2、3、4、5、6管腳;如封裝體上無黑點標識,則正看封裝體
    上字符左下為第1管腳,其余管腳逆時針類推)C-MOS:場效應開關管;保護功能的實現者 ;連焊、
    虛焊、假焊、擊穿時會造成電池無保護、無顯示、輸出電壓低等不良現象。總結:CMOS在保護板中
    一般為8個管腳的封裝形式,它時由兩個MOS管構成,相當于兩個開關,分別控制過充保護和過放、
    過流、短路保護;其管腳區分方法和IC一樣。
     
    在保護板正常情況下,Vdd為高電平,Vss、VM為低電平,Dout、Cout為高電平;當Vdd、Vss、VM
    任何一項參數變換時,Dout或Cout的電平將發生變化,此時MOSFET執行相應的動作(開、關電路)
    ,從而實現電路的保護和恢復功能。
     
                                   第四章 保護板主要性能測試方法
    1.NTC電阻測試:
    用萬用表直接測量NTC電阻值,再與《溫度變化與NTC阻值對照指導》對比。
    2.識別電阻測試:
    用萬用表直接測量識別電阻值,再與《保護板重要項目管理表》對比。
    3.自耗電測試:
    調恒流源為3.7V/500mA;萬用表設置為uA檔,表筆插入uA接孔,然后與恒流源串聯起來接保護板
    B+、B-如下圖所示:此時萬用表的讀數即為保護板的自耗電,如無讀數用鑷子或錫線短接B-、P-,
    激活電路。
    保護板指示圖2
    4.短路保護測試:
    電芯接到保護板B+、B-上,用鑷子或錫線短接B-、P-,再短接P+、P-;短路后用萬用表測保護板開
    路電壓(如下圖所示);反復短接3-5次,此時萬用表讀數應與電芯一致,保護板應無冒煙、爆裂等
    現象。
    鋰電池保護板連接圖
    如上圖所示接好電路,按照重要項目管理表設置好鋰易安數據,再按自動按鈕,接好后按紅表筆上
    的按鈕進行測試。此時鋰易安測試儀的燈應逐次點亮,表示性能OK。按顯示鍵檢查測試數據:‘Chg’
    表示過充保護電壓;‘Dis’表過放保護電壓;‘Ocur’表示過流保護電流。
     第五章 保護板常見不良分析
    一、 無顯示、輸出電壓低、帶不起負載:
    此類不良首先排除電芯不良(電芯本來無電壓或電壓低),如果電芯不良則應測試保護板的自耗電
    ,看是否是保護板自耗電過大導致電芯電壓低。如果電芯電壓正常,則是由于保護板整個回路不通
    (元器件虛焊、假焊、FUSE不良、PCB板內部電路不通、過孔不通、MOS、IC損壞等)。具體分析
    步驟如下:
    (一)、用萬用表黑表筆接電芯負極,紅表筆依次接FUSE、R1電阻兩端,IC的Vdd、Dout、Cout
    端,P+端(假設電芯電壓為3.8V),逐段進行分析,此幾個測試點都應為3.8V。若不是,則此段
    電路有問題。
    1. FUSE兩端電壓有變化:測試FUSE是否導通,若導通則是PCB板內部電路不通;若不導通則FUSE
    有問題(來料不良、過流損壞(MOS或IC控制失效)、材質有問題(在MOS或IC動作之前FUSE被燒
    壞),然后用導線短接FUSE,繼續往后分析。
    2. R1電阻兩端電壓有變化:測試R1電阻值,若電阻值異常,則可能是虛焊,電阻本身斷裂。若電阻
    值無異常,則可能是IC內部電阻出現問題。
    3. IC測試端電壓有變化:Vdd端與R1電阻相連。Dout、Cout端異常,則是由于IC虛焊或損壞。
    4. 若前面電壓都無變化,測試B-到P+間的電壓異常,則是由于保護板正極過孔不通。
    (二)、萬用表紅表筆接電芯正極,激活MOS管后,黑表筆依次接MOS管2、3腳,6、7腳,P-端。
    1.MOS管2、3腳,6、7腳電壓有變化,則表示MOS管異常。
    2.若MOS管電壓無變化,P-端電壓異常,則是由于保護板負極過孔不通。
    二、 短路無保護:
    1. VM端電阻出現問題:可用萬用表一表筆接IC2腳,一表筆接與VM端電阻相連的MOS管管腳,確認
    其電阻值大小。看電阻與IC、MOS管腳有無虛焊。
    2. IC、MOS異常:由于過放保護與過流、短路保護共用一個MOS管,若短路異常是由于MOS出現問
    題,則
    此板應無過放保護功能。
    3. 以上為正常狀況下的不良,也可能出現IC與MOS配置不良引起的短路異常。如前期出現的BK-901
    ,其型號為‘312D’的IC內延遲時間過長,導致在IC作出相應動作控制之前MOS或其它元器件已被損壞。
    注:其中確定IC或MOS是否發生異常最簡易、直接的方法就是對有懷疑的元器件進行更換。
     
    三、 短路保護無自恢復:
    1. 設計時所用IC本來沒有自恢復功能,如G2J,G2Z等。
    2. 儀器設置短路恢復時間過短,或短路測試時未將負載移開,如用萬用表電壓檔進行短路表筆短接后
    未將表筆從測試端移開(萬用表相當于一個幾兆的負載)。
    3. P+、P-間漏電,如焊盤之間存在帶雜質的松香,帶雜質的黃膠或P+、P-間電容被擊穿,IC Vdd到Vs
    s間被擊穿.(阻值只有幾K到幾百K).
    4. 如果以上都沒問題,可能IC被擊穿,可測試IC各管腳之間阻值。
    四、 內阻大:
    1. 由于MOS內阻相對比較穩定,出現內阻大情況,首先懷疑的應該是FUSE或PTC這些內阻相對比較容
    易發生變化的元器件。
    2. 如果FUSE或PTC阻值正常,則視保護板結構檢測P+、P-焊盤與元器件面之間的過孔阻值,可能過孔
    出現微斷現象,阻值較大。
    3. 如果以上多沒有問題,就要懷疑MOS是否出現異常:首先確定焊接有沒有問題;其次看板的厚度(
    是否容易彎折),因為彎折時可能導致管腳焊接處異常;再將MOS管放到顯微鏡下觀測是否破裂;最
    后用萬用表測試MOS管腳阻值,看是否被擊穿。
    五、 ID異常:
    1. ID電阻本身由于虛焊、斷裂或因電阻材質不過關而出現異常:可重新焊接電阻兩端,若重焊后ID正
    常則是電阻虛焊,若斷裂則電阻會在重焊后從中裂開。
    2. ID過孔不導通:可用萬用表測試過孔兩端。
    3. 內部線路出現問題:可刮開阻焊漆看內部電路有無斷開、短路現象。
     
     
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