笔记本电脑Li+电池保护及容量计量

前言
li+电池具有容量大、使用寿命长、轻薄等特性，非常适合笔记本电脑等便携式产品，然而li+电池在安全性设计中需严格避免出现过充电、过放电、短路等异常现象，另外，系统设计还往往需要电量指示，故在li+电池模块内需要有电量计及保护ic。容量计量时如何得到最准确的容量预测，对于笔记本电脑的电池管理非常关键。在保护机制上，需要防止因第一级保护ic故障或mosfet短路而造成的过压故障，所以，第二级保护ic在新产品的设计中是不可或缺的最后防线。本文提供了一个由max1780和max1906构成的、完备的li+电池组保护方案。

电池保护电路结构
电池保护电路包括电量计、第一级保护ic（防止电池过充、过放、短路）、第二级保护ic（防止第二次过压）、保险丝、led指示、温度调节等部件（图1），图中，max1780实现电量计量和第一级保护，max1906为第二级电池保护ic。

max1780对电量计容量的补偿
max1780采用各种查找表和缓存器为电池容量补偿提供了非常完整的方案，其中包括：
1、放电效率补偿

max1780会在电池放电时根据实际温度、放电电流对放电效率进行容量补偿。举例来说，根据电池在不同放电电流、温度下的放电曲线，以一个4000mah的电池来说，在20℃、0.2c（放电电流800mah）所能提供的容量最高，如果放电容量达到4000mah，则此时放电效率为100﹪；若在0℃、0.2c下放电，可能提供的放电电量为3600mah，则放电效率为3600/4000＝90﹪。所以，如果按照0.2c的速率放电一小时，温度为20℃时剩余容量为4000－800＝3200mah，温度为0℃时，则正确容量为4000－（800 0.9）＝3112mah。由此可见，电量计需要根据放电效率调整剩余容量，确保电量计量的准确性。
2、标定电压单元
将某一固定的剩余容量值在不同放电电流、温度下对应的电池电压作为标定电压。当电池电压达到标定电压时，则将电量计的剩余容量修正为标定电压对应的容量，若剩余容量已达到标定电压对应的容量、但电池电压仍高于标定电压，则保持剩余容量不变、直到电池电压达到标定电压后更新电厝萘俊１甓ǖ缪够嵋蛭?绯氐氖褂檬奔涠?⑸?浠??残枰??惺实钡牡绯乩匣?拚??br>
3、自放电补偿
电池的自放电会影响容量，且自放电率与温度、使用时间、电池容量有关，max1780同样利用查找表获得精准的自放电补偿。

电池匹配问题
随着电池工作时间的延长，每节电池的内部阻抗会产生较大的偏差，电池容量也会发生一定的变化。这样，充电时可能造成某节电池电压过高而其余电池尚未充满的现象。当然，也可能在放电时某节电池电压偏低，导致低电压保护提前动作，影响其他电池的使用寿命。所以，电池保护电路常常还考虑电池匹配性的检测，max1780利用四个gpio、配合适当的软件控制，能够判断电池的匹配性。充电时，如果检测到某节电池异常，相应的gpio可控制外部p沟道mosfet导通，对该节电池的充电电流做适当分流，如图2所示，分流电流由限流电阻r决定，从而避免由于电池的不匹配而造成其它电池容量受损。
图2 li+电池匹配电路

利用max1906提高系统的安全性
max1906通过控制一个三端保险丝为li+电池组提供保护，该款ic通常配合其它保护电路为系统提供高级防护措施。max1906分别监视每节电池的电压，当任何一节电池电压超出门限值的时间大于2.1s时，保险丝驱动电路将吸收足够的电流、熔断外部保险丝，永久性地切断电池组与系统的连接。另外，max1906还可检测每节电池是否连接正常，内部测试电路用于检测电路工作是否正常。

结论
随着li+应用范围越来越广，对li+电池保护电路的要求也变得多样化、复杂化。max1780具有完善的电池容量计量补偿，灵活的软件设计可构成各种应用电路，配合max1906可实现两级防护，为笔记本电脑等要求高可靠性的设备提供良好的电池保护解决方案。ad574在工频弱磁测量仪中的应用