基于MAX1666的Li+电池保护电路

    摘要：详细介绍了Li+电池的主要特性其在实际应用中所需要保护的参数；结合Maxim公司生产的Li+电池保护器MAX1666，给出了具体的应用电路。

    关键词：Li+电池 NiMH/NiCd 保护器 充电 放电 电流 电压

近几年来，随着各种便携式设计（如手机、笔记本电脑、摄像机、数码相机、PDA等）的不断推出，对电池的要求也随之提高。以前，在这类应用中，NiMH电池NiCd电池以其低价格占有较大优势；但随着便携式设备对体积/重量的要求越来越苛刻，工作和待机时间越来越长以及Li+电池成本的不断降低，使Li+电池的优势性能在这类应用中得以充分的展示，被广大电子设计工程师和消费者所接受。预计随着Li+电池性能的不断提高和成本的进一步降低，Li+电池将在许多应用中取代NiMH和NiCd电池。

Li+电池与NiMH/NiCd电池相比，其主要优点表现在以下几个方面：

·能量密度高

Li+电池的重量密度为90W-小时/千克，体积密度为210W-小时/升）；而LiMH电池和NiCd电池的重量密度分别为55W-小时/千克和50W-小时/千克，体积密度分别为180W-小时/升和140W-小时/升。从以上典型值可知，在相同电池容量的情况下，Li+电池的重量可以轻一倍，体积可以更小；换言之，如果在相同的电池重量下，Li+电池工作的时间可以多出一倍。

·单节电池电压高

单节Li+电池的标称电压值为3.6V，而单节NiMH/NiCd电池的标称电压只有1.2V，仅相当于Li+电池电压的1/3。正是由于Li+电池具有较高的输出电压（允许电压范围：2.7V～4.2V），所以目前已经有许多微处理器被设计成工作于此电压范围，而无需额外的电压转换器，如TI的MSP430系列、Microchip的PIC16LCXX/PIC16LFXX系列，从而降低了系统成本。

·自放电小

Li+电池典型的自放电系数为5～10%/月（20℃）；而NiMh电池和NiCd电池的自放电系数分别为20～30%/月（20℃）和15～20%/月（20℃），并且在充电后几天内放电速率更快，同时放电速率也随温度升高而显著增加。

·温度特性好

Li+电池允许充电的温度范围为0～50℃，与NiMH/NiCd电池允许充电温度范围相同。但它们允许的快速充电温度范围却不相，Li+电池快速充电温度范围为+2.5℃～+47.5℃，而NiMH/NiCd电池只有10～40℃的快速充电范围。在充电时，若温度>40℃，Li+电池充电效率几乎不变；而NiMH/NiCd电池需要200～300%的电池总能量才能充满电池。在放电时，Li+电池允许的工作温度范围为-20℃～+60℃，并且在这个温度范围内，其输出的电池总容量几乎不变；0℃时输出电池总容量的90%左右；-20℃时为总容量的70%；而对于NiMH/NiCd电池来说，其放电容量随温度变化较大，尤其是在高温时性能更差，例如在40℃时，只能输出总容量的70%左右。

但是Li+电池也有自身的缺陷，例如在电池过充电或过放电时，电池可能完全损坏等。

本文钭针对Li+电池的特性，采用Maxim公司的Li+电池组保护器，提供一个具有优异性能/价格比、功能完善的Li+电池组保护器的设计方案。若用户采用的单节Li+电池，可参考使用RICOH公司的RN5VM1XXC/D系列的单节Li+电池保护器，由于篇幅的原因，不再赘述。

1 Li+电池的放电/充电及其保护

当Li+电池工作在放电状态时，应该避免电池过放电（电压低于2.4V；实际使用时，最低电压一般设定在2.7V以上），否则将导致内部电极氧化，使电池完全损坏；另外，由于Li+电池有较高的能量密度，绝对禁止输出短路或过流，否则将导致电池内部着火，甚至引起爆炸。图1是Li+电池典型的放电曲线。

当对Li+电池充电时，应该保证在快速充电之前，电池电压高于2.5V，否则会损坏电池；若不满足此条件，则最好采用小于1/10cA的充电电流预充至2.5V或2.5V以上，再进入快速充电状态。在快速充电过程中，采用限流方式充电，电流一般小于1cA；一旦达到电压调节点4.2V±50mV，即进入恒压充电方式（多数Li+电池生产厂家建议怜惜速充电电流小于1cA，恒压充电电压为4.2V±50mV，这里指负极为硬炭的Li+电池；而对于负极为石墨的Li+电池来说，则为4.1V，正电极都为氧化钴锂），当充电电流降低至1/10cA以下时，可以认为满充结束。对于Li+电池来说，如果过充电，即电池电压高于4.2V，内部电极也将引起氧化，导致电池容量降低或完全损坏，这也是为什么Li+电池采恒流-恒压充电的原因。图2是Li+电池充电的电流和电压典型曲线。

依据上述Li+电池的充电/放电特性，一款功能完善的Li+电池保护电路必须具备以下保护功能：

（1）过压保护，防止电池过充电电；

（2）欠压保护，防止电池过放电；

（3）充电限流保护；

（4）放电限流/短路保护；

（5）对于Li+电池组的应用，每节电池电压是否匹配检测和保护。

另外，如果Li+电池充电器没有小电池预充功能，则保护器应该具备涓流充电功能，即在电池电压过低时，充电/放电通道已被禁止，而允许涓流预充电池，使电池电压上升，以达到快速充电的条件。

2 MAX1666主要特性及其典型应用

MAX1666S/V/X是一种功能完善、配置灵活的2/3/4节Li+电池组保护器。用户能够根据实际情况，精确的设定各保护参数的门限值，为Li+电池组提供更为可靠地保护；另外，MAX1666还提供电池间电压不平衡保护、涓流充电以及电池组的状态输出。MAX1666主要电气特性：最高+28V工作电压、工作电流28μA、待机电流小于1μA，采用节省空间的QSOP封装。图3是MAX1666X的典型应用电路。

    MAX1666提供的电流/电压保护及其保护门限设定方法如下：

（1）过压保护

电池过压保护门限VOVT设定范围：+4.0V～+4.4V，精度±0.5%。OVA引脚连接至R1和R2组成的REF分压器端，则过压保护门限VOVT满足以下方程：

R2=[(VOVT-4V)/(4.4V-4V)]×RTOTAL

R1=RTOTAL-R2，可以取RTOTAL=1MΩ

当过压保护发生作用时，充电和涓流对应的两个P-MOSFET均关闭，同时输出报警信号。

（2）欠压保护

电池欠坟保护门限VUVT设定范围：+2.0V～+3.0V，精度±2.5%。UVA引脚连接至R3和R4组成REF分压器端，则欠压保护门限VUVT满足以下方程：

R4=[(VUVT-2V)]/(3V-2V)]×RTOTAL

R3=RTOTAL-R4,可以取RTOTAL=1MΩ

当欠压保护发生作用时，放电和充电对应的两个P-MOSFET均关闭，但涓流对尖的P-MOSFET仍然保持开通。欠压报警信号WRN在电池电压低于VUVT+100mV输出，高时VUVT+300mV解除。

（3）

电池间电压不平衡保护

电池间电压不平衡保护门限VCMT设定范围：0mV～500mV，精度±10%。MMA引脚连接至R5和R6组成的REF分压器端，则VCMT满足以下方程：

R6=(VCMT/500)×RTOTAL

R5=RTOTAL-R^，可以取RTOTAL=1MΩ

当任何两节电池的电压差超出此保护门限时，涓流充电、快速充电和放电对应的三个P-MOSFET均关闭，保护器输出电池组失效信号PKF。

（4）充电/放电过流保护

充电过流保护门限：GND比PKN电动势高200mV，对应电流=200mV/RSENSE；放电过流保护门限：PKN比GND电动势高300mV，对应电流=300mV/RSENSE。

    当过流情况发生时，充电和放电对应的P-MOSFET关断。同时启动内部559ms的定时器，550ms后，再次打开MOSFET，以便检测过流情况是否存在。如果故障仍然存在，则殖民地次关闭MOSFET，此过程不断重复进行。

图3为四节Li+电池组提供功能完善、性能可靠的电池电压/电流保护。图中设定的各参数的保护门限分别为：

VOVT=4.2V,VUVT=2.5V,VCMT=250mV,充电电流门限=4A,放电电流门限=6A.

实际使用中，可根据Li+电池组具体参数进行调整。另外，调整电阻R8（270Ω），可以设定涓流充电电流。，以条例实际Li+电池所允许的预充电流及续充电流。图中的三个P-MOSFET可采用IRF7404、IRF7406、Si4431或其它参数相似的型号。