淺談筆記本電腦電池的保護(hù)電路

王曉玲

摘要：現(xiàn)在的筆記本電腦的電池，大部分都已經(jīng)采用了鋰離子電池，由于鋰離子電池的放電性能跟之前的鎳氫電池相比，其化學(xué)反應(yīng)要劇烈得多，所以當(dāng)筆記本電腦采用鋰離子電池時，多采用多級保護(hù)電路來保證筆記本電腦電池在工作中保證安全，該文主要從筆記本電腦電池起保護(hù)作用的電子元件和PCB板的系統(tǒng)保護(hù)電路來闡述筆記本電腦電池的保護(hù)控制。

關(guān)鍵詞：筆記本電腦電池；過充電保護(hù)；過放電保護(hù)；過電流保護(hù)；過溫保護(hù)

中圖分類號：TP331文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044(2012)15-3728-03

隨著現(xiàn)代電子行業(yè)的迅猛烈發(fā)展，筆記本電腦因為其體積小，重量輕，便于攜帶等優(yōu)點，已逐步替代臺式電腦，走進(jìn)了千家萬戶，成為現(xiàn)代人工作，學(xué)習(xí)，生活常用的現(xiàn)代化電子設(shè)備。2000年前筆記本電腦的電池，往往采用鎳氫電池進(jìn)行制造，但由于鎳氫電池重量重，具有記憶效應(yīng)，在使用的時候，其性能往往不盡人意，自從19世紀(jì)，90年代，發(fā)明了鋰離子電池，并進(jìn)行了商品化生產(chǎn)，鋰離子電池的生產(chǎn)工藝不斷改進(jìn)，其電池的容量也不斷增加，其中以松下，三洋等品牌的鋰離子電池的性能比較優(yōu)良，在出口的筆記本電腦的電池，多數(shù)采用這些品牌的單電池進(jìn)行組裝，制造成電池組。但鋰離子電池在工作時，其內(nèi)部進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)非常劇烈，也具有一定的危險性，所以一般，由鋰離子電池制造加工成的筆記本電池，其保護(hù)控制部分，要比由鎳氫電池加工成的筆記本電池

要復(fù)雜的多。[1]

1鋰離子電池的結(jié)構(gòu)

鋰離子電池的正極材料為氧化物，常見有氧化錳鋰、氧化鈷鋰、氧化鎳鋰、磷酸鐵鋰等。鋰離子電池的負(fù)極材料主要是石墨化碳材料，其導(dǎo)電劑為乙炔黑。其電解質(zhì)，有碳酸脂和聚合物兩種。鋰離子電池的隔膜采用聚烯微孔隔膜，而且此隔膜在離子今昔功能交換的時候，保液能力好，強度高，抗氧化性能好。最后外殼由鋁殼或塑殼組成。[2]

2筆記本電腦電池的參數(shù)要求

筆記本電腦電池，規(guī)定了充放電的一些基本電氣性能，現(xiàn)以單節(jié)松下電池，型號為CGR18650，容量為2000mAH，9個單電池進(jìn)行三并聯(lián)再三串聯(lián)加工制造成的筆記本電池組為例進(jìn)行說明：

3筆記本電池組的保護(hù)功能元件

在筆記本電腦的電池中，除了用有保護(hù)功能的電路板實現(xiàn)相應(yīng)的保護(hù)功能外，還增加了有獨立保護(hù)功能的電子元件，來實現(xiàn)保護(hù)功能。

3.1過流保護(hù)功能

一般在電池組的的負(fù)極輸出端串聯(lián)自恢復(fù)式熱敏電阻polyswitch LR730，當(dāng)電流流向負(fù)極的時候，在polyswitch上產(chǎn)生的溫度為40℃，電流超過13A或是常溫下超過16A，這個PTC元件就會在幾十秒種內(nèi)，由之前的低阻狀態(tài)變?yōu)楦咦锠顟B(tài)，將電流限制到足夠小的范圍內(nèi)，起到過流保護(hù)的作用。當(dāng)過電流問題解除后，熱敏電阻可以自行恢復(fù)到初始低電阻導(dǎo)通狀態(tài)。

圖1

3.2過溫保護(hù)功能

由于筆記本電腦電池充放電時是發(fā)熱的，當(dāng)負(fù)載短路或其它異常放電情況，而保護(hù)電路失效，在極短的時間內(nèi)會產(chǎn)生很大的電流，使得電池內(nèi)部溫度急劇升高，在極短的時間內(nèi)引發(fā)一系列的劇烈反映，此時是非常危險的，必須切斷電流，在電池組中間串聯(lián)一個溫度保護(hù)器件溫度保險絲Thermal fuse顯得尤為重要,，把它用導(dǎo)熱膠，緊貼在電池表面，感受電池的溫度，當(dāng)電池組發(fā)生異常，溫度達(dá)到或超過98℃時，溫度保險絲立即熔斷，并且不可以恢復(fù)，從而起到最后一級保護(hù)。

4筆記本電腦電池的保護(hù)電路

鋰離子電池的安全性問題不僅與電池的材料本身性質(zhì)有關(guān)，也與電池的制備技術(shù)和使用有關(guān)，如過充電，短路，熱沖擊和機械沖擊等，對鋰離子電池的安全性能產(chǎn)生影響，鋰離子電池由于其化學(xué)性能劇烈，在加工成筆記本電池組時，會用一個比較完備的保護(hù)電路對其充電，放電過程予以保護(hù)。圖3為以下部分參考電路。

圖3

4.1電路中的過充保護(hù)

筆記本電腦電池，在恒壓模式下，一般經(jīng)過3個小時左右的充電，就會達(dá)到充飽狀態(tài)，如果這時不切斷充電電源，繼續(xù)充電，電池的電壓會隨著不斷流入的充電電流而升高，雖然這時候的充電電流很小，但如果不切斷充電電路，就會出現(xiàn)過充電現(xiàn)象，過充不僅僅會損壞電池，還可能發(fā)生由于電壓過高，電池過熱以致電池內(nèi)部由于氣體膨脹出現(xiàn)爆炸等危險。這時候具有保護(hù)功能的電路控制就顯得非常重要了。一般具有保護(hù)功能的電路板，都會采用一些專門的電池保護(hù)芯片，如MM1414，S-8254，BQ29311，BQ29312等，我們以MITSUMI(日本美上美)的MM1414芯片為例，MM1414芯片，可以對多達(dá)4組電池的電壓進(jìn)行采樣和監(jiān)測，PIN15~PIN18為電池電壓采樣PIN，當(dāng)采樣到的單組電壓超過4.35±0.25V,即整個電池組的電壓超過12.7V時候，MM1414 PIN1 OV就會因過壓由高電位轉(zhuǎn)換為低電位，如果電路中接有P溝道的MOSFET場效應(yīng)管，如SI4425，可以先將低電位信號輸入到一個PNP三極管的基極，當(dāng)PNP三極管飽和導(dǎo)通時，將集電級的高電位輸入到負(fù)責(zé)充電的PMOSFET（充電時候，電流首先流過的MOSFET）的控制極柵極，使PMOS工作在截止區(qū)，充電電路斷開，從而起到了過充保護(hù)功能。

4.2電路中的過放保護(hù)

筆記本電腦電池在放電的時候，當(dāng)單節(jié)電池電壓已經(jīng)達(dá)到最低電壓的限制2.3V，此時如果繼續(xù)放電，雖然不會存什么危險，但是，過放電，會大大損壞電池的性能，一般的單個鋰離子電池，在正常充放電的情況下，其壽命超過300個充放電循環(huán)，就是300個cy cle,隨著不斷的充放電循環(huán)，電池的容量也逐漸下降，以松下CGR18650（2000mAH）為例，按照正常的300個充放電循環(huán)后，電池的容量大概還會有926 mAH以上，比起電池的額定容量2000mAH減少了一半，如果電池過放電，使用的壽命就會大大的縮短。筆記本電池的過放電保護(hù)也是非常重要的，過放保護(hù)功能的實現(xiàn)，可以通過MM1414電池保護(hù)芯片的PIN5來實現(xiàn)，PIN5 DCHG為輸出PIN，可以直接控制FET（P-CH）的控制極，如SI4425,正常狀態(tài)為低電平狀態(tài)，當(dāng)MM1414電壓輸入信號端檢測到每組電壓低于2.3v, MM1414 PIN5輸出高電位，可以直接跟使負(fù)責(zé)放電P溝道MOSFET管的柵極（放電時候，電流首先流過的MOSFET）相接，使放電MOSFET管關(guān)閉，使放電通路斷開，使電池停止繼續(xù)放電，起到了過放保護(hù)。其過放控制的檢測死區(qū)時間可以通過PIN7 CDC這個輸入接口，對地接一個電容來控制。

4.3電路中的過流保護(hù)

當(dāng)筆記本電池的負(fù)載出現(xiàn)短路或其它的故障，電池會出現(xiàn)一個很大的電流進(jìn)行放電，這個時候也是非常危險的狀態(tài)，必須立即斷開放電通路。過流檢測通過MM1414 PIN3 CS接到放電MOS與充電MOS中間一個取樣電阻上，來檢測放電MOS源極和漏極的壓降，當(dāng)電流超過16A，PIN5 DCHG將輸出高電平，將放電MOS關(guān)閉，停止放電。過流控制的檢測死區(qū)時間，可以通過PIN8 COL這個輸入接口，對地接一個電容來進(jìn)行控制。

4.4 MOSFET管過溫保護(hù)

電池在工作的時候，電流會流過電路中的兩組MOSFET管，一般電路會接有四個MOSFET，每對MOSFET并聯(lián)，分擔(dān)流過的電流，由于工作過程中，MOSFET會發(fā)熱甚至被擊穿，一般會在電路的輸出端串聯(lián)一個139℃溫度保險絲，用導(dǎo)熱膠將溫度保險絲固定在兩對MOSFET的表面，當(dāng)MOSFET管表面的溫度超過139℃的時候，這時電路一般已經(jīng)出現(xiàn)了嚴(yán)重的故障，電路中的保護(hù)功能已經(jīng)失控，必須立即切斷通路，這時串聯(lián)在電路與負(fù)載之間的溫度保險絲熔斷，并且不可恢復(fù)，保護(hù)了整個筆記本電池的安全。

5筆記本電池的保養(yǎng)

筆記本電腦最大的優(yōu)勢就是可以隨身攜帶，隨時隨地都可以將筆記本電腦打開，這時候，你的筆記本電腦電池的性能就顯的尤為重要，筆記本電池在使用過程中需要一定的保養(yǎng)和維護(hù)。

5.1要避免高溫

筆記本電腦的電池，在經(jīng)常處于高溫的環(huán)境中，自己的容量會降低，如果筆記本電腦，長時間需要外接電源的話，建議將電池拔下，因為筆記本電腦在使用的時候是產(chǎn)生一定的高溫的，電池在這種長時間的高溫下，很容易受到損害，影響以后的放電性能。

5.2防止高壓

在雷雨天的時候，要避免給筆記本電池充電，此外，在使用的時候，也要避免跟一些大功率的電器同用一個電源插座上使用，因為大功率的電器在開啟或關(guān)閉的時候都會產(chǎn)生瞬間的高壓，有可能會導(dǎo)致電池?fù)p壞。[3]

5.3少插拔

筆記本電腦電池的外部連接器PIN腳插拔時容易磨損，最好不要經(jīng)常頻繁的進(jìn)行插拔。

5.4筆記本電池的存儲

筆記本電池長時間不用的話，可以將其充電50%左右，放置在涼爽，干燥處[4]。筆記本電池在充飽的狀態(tài)，或在高溫的狀態(tài)，其自放電會隨著電池的容量和溫度上升而增加，所以，不要把筆記本電池充飽后再存放。5.5注意使用安全

跟其它的電池一樣，筆記本電池都要避免接近火源，勿私自進(jìn)行拆開修理，避免正負(fù)極短路，不能用尖銳的物體刺穿電池，存儲時避免潮濕和高溫等

6結(jié)束語

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，筆記本電池的保護(hù)功能也逐漸升級，為消費者提供功能越來越強，安全性能越來越高的產(chǎn)品也是筆記本電腦電池開發(fā)所追求的最終目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]鋰離子電池安全問題的探討及檢驗監(jiān)管建議[Z]. http://www.docin.com/p-239939786.html

[2]鋰離子電池工藝簡介[Z]. http://wenku.baidu.com/view/eb1fce68561252d380eb6efd.html

[3]筆記本電池基礎(chǔ)知識[Z]. http://www.longvo.com.cn/lv_app_article.phpid=87

[4]田伯明.筆記本電腦電池的使用[N].電子電腦報,1999-06-10.