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BatteryPackIntroduction--baseonP701EditbyPamela&JohnnyAgenda•BatteryPackCircuitAnalyzeOverviewComponentselect•NormalStatus•1stPROTECTIONOverChargeFunctionOverDischargeFunctionOverCurrentFunction•2ndPROTCETIONOverChargeFunctionBatteryPackCircuitAnalyzeOverview一般,對鋰離子可充電電池有一極保護和二極保護.此處,以S-8253A和S-8264A分別作為一極保護IC和二極保護IC來作介紹.對於P701而言,沒有使用gasgaugeIC,而是由EC來控制.1stProtection在P701上所做的1st保护的IC为S-8253,下图为组建1st保护的基本架构。2ndprotection在P701上所做的2nd保护的IC为S-8264,下图为组建2nd保护的基本架构。PROTECTIONFETs1st保护应用中选择的是两个P-FET,APQ1为控制充电的MOS,选择的是SI4835BDY,耐电压为-30V,耐电流为-9.6A,Rds(on)在-10V的条件下为18mohm;APQ2为控制放电的MOS,选择为TPC8107,耐电压为-30V,耐电流为-13A,Rds(on)在-10V的条件下为5.5mohm。设计考量:1.Rds(on):Rds(on)如果过小,会导致OCP误动作,在OverCurrent部分会有详细叙述;Rds(on)过大会导致OverCurrent情况下的无法保护,并且在正常工作时候消耗在Rds(on)的功耗增加。2.Vgs(th):在保护动作时候需要保证MOS的开启电压足够,由于过充电电压比过放电电压要高,所以过充电MOS的Vgs(th)可以比过放电MOS的高。目前选用的充电MOSVgs(th)为-3V,放电MOSVgs(th)为-2V。3.耐电压耐电流:同时需要考量耐电压值大于cell端电压,耐电流值大于最大放电电流值。MOS能承受的最大pulsedcurrent应大于短路时线路中最大电流值。APQ1APQ2ComponentSelectCAPACITORs电容在batterypack保护线路中的作用:1,防ESD;2,滤波。防ESD电容:BATTERYPACK在生产制作过程中,防止因ESD损坏MOS。Connect端由于经常地插拔,容易产生ESD,也会加入ESD电容。设计考量:在此需要连接两个电容,如果其中一个电容short,另一个电容仍可以起作用。电容一般选择0.1uF,耐电压值大于最大充电电压值。一般选取25V耐压。滤波电容:滤除高频NOSIE。Cell端与IC连接端均有RC滤波电路。设计考量:RC滤波厂商建议应不小于51uF·Ω,且APC7×APR8=APC3×APR5=APC5×APR6。APR8同时可以做为CELL端反接保护用,允许因功率过大损坏APR8来断开回路。从实验得到的数据来看,CELL端发生反接时,IC的VssPIN的电压约为0.9V左右。详细内容在反接功能中有叙述。APR8S-8253S-8264Delay作用电容:在2级保护的MOSgate端放置APC4,此电容同时也能起到防ESD作用。PTC电阻:PTC电阻APR14为2级保护过温度保护的温度侦测电阻。当温度升高时,会与IC的CTLpin内部的8—12Mohm做分压,当CTLpin电压小于0.4倍的CELL端电压,CO为HIGH,启动保护。设计考量:1,确定保护功能动作时的温度,在IEEE,JIS,的高温性能测试是在130℃下测试。所以我们的过温度保护点一定要低于此值。启动保护时候的电阻值应该为15Mohm左右。全部電池電壓在VDLn與VCUn之間,比放電電流的過電流值低(VMP端子電壓比VDD–VIOV1高)的情況下,充電用FET以及放電用FET變為ON,可自由的進行充放電。這種狀態稱為正常狀態,充放电FET均为PMOS。C-FET:SI4835.D-FET:TPC8107.RC濾波APC7×APR8≧51uF‧Ω且APC7×APR8=APC3×APR5=APC5×APR6CTLpin:L:正常工作H/OPEN:充放電禁止NormalStatusCH1:C-gateCH2:D-gateCH3:BV+CH4:EB+ChargingDischarging正常充放电状态,充放电FET的gate均为低电平,如上图的CH1:C-gateCH2:D-gate。由于充放电FET均为PMOS,所以充放电回路正常导通,模拟的pack端CH4:EB+和cell端CH3:BV+近似相等。CH1:C-gateCH2:D-gateCH3:BV+CH4:EB+當任一節電池的電壓超過VCUn且持續時間大於tCU時,就發生過充電保護.COPpin變為high,將C-FET關斷,充電停止,但是仍可以通過bodydiode放電.COPpin內部為opendrain,在COPpin需要為high時,通過該電阻接到EB+,將其pullhigh,APR2的值考虑到功耗问题可以选取较大值0.1MΩ—1MΩ,一般取1MESD電容兩個串聯是為了防止其中一個短路.1stprotectionOverchargeProtection偵測到電壓大於VCUn,而且超過delaytime(TCU),COPpin變為high,將chargingFETturn-off偵測到電壓小於VCUn,chargeremovedandaloadconnected,使VMPpin電壓小於VDD-VIOV1,則退出overchargestatus.其中1cell的电压BV1+超过4.25V时间1.28s时,过电压保护启动,充电FETgate(CH1:C-GATE)电位被pullhigh,充电FET关闭。SPEC:Cell电压4.25V以上且持續時間0.92s~1.38s4.25V1.28soverchargedetectionvoltage&timeoverchargereleasevoltageCell电压CH3:BV1+为4.0V,过充电状态解除,充电FET的gate(CH1:C-GATE)电压降低为low。SPEC:Cell电压4.05+/-0.025V4VOverdischargeProtection當任一節電池的電壓低於VDLn且時間保持在tDL以上時,就發生過放電保護.DOPpin變為high,將D-FET關斷.,但是還可以通過bodydiode放電.防止ESD及負載短路時,在回路上所產生的電感效應,在DO瞬間轉換時,有可能會把IC的DOP端子打壞掉。典型值设定为1KΩ。偵測到電壓小於VDLn,而且超過delaytime(TDL),DOPpin變為high,將dischargingFETturn-off偵測到電壓大於VCLn,loadremovedandchargeconnected,VMPpin電壓大於VDD,DOPpin變為low,將dischargingFETturn-onCell电压CH3:BV1+降低到2.48持续时间120ms后,CH2:D-GATE电压pullhigh,放电MOS关闭,防止过放。SPEC:2.4V以下並保持115ms~173ms2.48V120msoverdischargedetectionvoltage&timeCell电压CH3:BV1+升至2.72V过电压状态解除。CH2:D-GATE拉low,可以正常放电。2.72VSPEC:cell电压2.7+/-0.1V,过放电解除。overdischargereleasevoltage當拔掉Adaptor,system純粹由battery供電,而system發生短路時,batterypack必須有overcurrentprotection的機制.VMPpin:過電流檢測(檢測VDD與VMPpin之間的壓差)IIOVn=VIOVn/(RDS(on)CFET+RDS(on)DFET)OvercurrentProtectionOverCurrentProtection:根据VDD与VMP之间的电压不同来设置过电流的情况,在系统放电过程中,可能发生系统负载加重的情况,如果cell端放电电流长时间过大,可能会导致cell过热发生危险,根据负载的不同设置了两级过电流保护,如果发生短路现象,系统会在更短时间内动作,作为第3级过电流保护。8253过电流保护动作的电压电流值:Overcurrentdetectionvoltage(V)Overcurrent(A)Overcurrentdelaytime(ms)Realovercurrent(A)1stprotection0.31295.722ndprotection0.5204.519.23rdprotection1.2480.32偵測到VMPpin電壓小於VDD-VIOV3,而且超過delaytime(TIOV3),DOPpin變high,dischargingFETturnoff偵測到VMPpin電壓小於VDD-VIOV2,而且超過delaytime(TIOV2),DOPpin變high,dischargingFETturnoff偵測到VMPpin電壓小於VDD-VIOV1,而且超過delaytime(TIOV1),DOPpin變high,dischargingFETturnoff1stprotectCH1:VMPCH2:D-gateCH3:BV+CH4:EB+CurrentM:CH3-CH4I:5.72AT:9.08ms在放电电流CH4:EB+Current为5.72A时,维持8.64ms启动过电流保护。CH2:D-gate电压pullhigh,DFET关闭,停止放电。SPEC:1stprotection维持时间为7.2ms—10.8ms。2ndprotectCH1:VMPCH2:D-gateCH3:BV+CH4:EB+CurrentM:CH3-CH4在放电电流CH4:EB+Current为19.2A时,维持4.72ms启动过2级电流保护。CH2:D-gate电压pullhigh,DFET关闭,停止放电。I:19.2AT:4.72msSPEC:2stprotection维持时间为3.6ms—5.4ms。在cell接反時保護IC,测试波形plspresshere!Reverse限流防止cell反接時損壞IC。发生cell反接的情况时,VSS端的电压约为0.9V,APR8上的压差为BV--VSS,如果发生反接的时间较长,APR8可能发生烧毁,断开回路。所以APR8的选择不宜太大,厂商建议值为51Ω。cellcellCell反接reverse-connectedcellTestcircuit:TestWaveform:CH1:VsspinCH2:CTL当CELL端发生反接,IC的Vsspin电压在APD1BAV99的作用下钳制在944mV,CTLpin电压被钳制在346mV,防止了反接对IC的损害。944mV346mVreverse-connectedchargerTestcircuit:Charger+Charger—限流作用由于VMPpin内部由一diode到地,APR1为限流电阻防止反接时候将VMPpin损坏,取值范围在1KΩ—10KΩCH1:VMPCH2:APQ1DRAINCH4:PACK+CURRENTTestWaveform:当发生Charge反接的时候,回路通过2级保护MOS的bodydiode形成,量测到回路电流CH4:PACK+CURRENT为1.7A。持续270ms,FUSE烧断,停止充电,达到保护作用。从波形上看,CH1:VMP电压为IC内部的寄生diode漏过来的,且等于反接时供电端的电压,APR15.1Kohm电阻,是为了反接时候保护IC的VMPpin损害.2ndProtectionWhenth
本文标题:battery pack introduction
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