基于STC15的锂离子电池充放电保护电路

王立志，何东朗，李栋，汪德洋，张峰源

(1.山东科技大学，青岛 266590；2.国网山东省蓬莱市供电公司)



基于STC15的锂离子电池充放电保护电路

王立志1，何东朗2，李栋2，汪德洋2，张峰源2

(1.山东科技大学，青岛 266590；2.国网山东省蓬莱市供电公司)

摘要:针对移动电源存在的不能自动续充问题，设计了一种自动充放电电路，并对常见锂电池过压过流保护、电池电量监测问题提出了相应的改进电路。应用普遍使用的STC15W401AS、SX2105、DS2762芯片作为核心器件，配合相应外围电路，为基于单片机的锂离子电池充放电保护电路的应用提供了一种参考。

关键词:移动电源；锂电池；充电放电保护；电量检测

引言

随着手机、数码相机、掌上电脑等便携式电子设备的迅猛发展，待机时间逐渐成为限制其发展的瓶颈，因此对锂离子电池提出了更高的要求[1]。随着各种电子设备显示屏的增大，其耗电量也随之增加，为了满足人们对电量的要求，移动电源应运而生。然而锂离子电池对充电设备的要求比较苛刻，为了实现自动续充，需要对电池的电压、剩余电量、温度等诸多信号进行实时检测，同时需要关注充电过流、过压、放电短路、过热等情况。

本文提出一种改进的自动检测锂离子电池电量的电路及电池充放电保护电路，以满足锂离子电池对充电器的要求，实现预充电—恒流充电—恒压充电的理想充电保护。理想智能充电方式示意图如图1所示。

图1　锂电池理想智能充电方式

1移动电源总体设计

本设计应用了STC15W401AS单片机芯片、SX2105降压同步整流芯片及用于判断电池过压、过放电、过流等状态的DS2762芯片，完成对锂电池的智能充电，并实时监测电池的剩余电量，同时在充电过程中需要及时切换恒压充电和恒流充电，实现对过压、过流及低压的保护。

2移动电源对电池电量实时检测电路

图2　移动电源电池检测电路

图3　保护状态下各控制引脚输出电平

3锂离子电池充电放电保护电路

锂离子电池充电放电保护电路原理图如图4所示。保护电路以STC15W401AS单片机为控制核心[5]，监测电池电压与回路电流，MOSFET在电路中起开关作用，通过控制2个MOSFET的栅极，分别控制充电回路与放电回路的导通与关断，该电路具有过充电保护、过放电保护、过电流保护与短路保护功能。

在正常状态下，电路中P1.5和P1.6口都输出高电压，Q1和Q4都处于导通状态，电池可以自由地进行充电和放电。在充电初期，为恒流充电，随着充电进行，电压会上升转为恒压充电，直至电流越来越小。电池在充电过程中，如果充电器电路失去控制，会导致电池损坏或出现安全问题，所以当电池电压达到设定电压时，比较器LM139会翻转，单片机P1.0采集到低电平，控制P1.5由高电平变成低电平，使Q4由导通变为关断，从而切断了充电回路，使充电器无法再对电池进行充电，起到过充电保护作用。而此时由于Q4自带的体二极管D4的存在，可以起到续流的作用[6]，电池可以通过该二极管对外部负载进行供电。

电池电压会随着供电过程逐渐降低，当电池电压降至2.5 V时，P1.1采集到低电平时，控制P1.6由高电平变成低电平，使Q1由导通转为关断，从而切断了供电回路，使电池无法再对负载进行供电，起到过放电保护作用。而此时由于Q1自带的体二极管D1的存在，充电器可以通过该二极管对电池进行充电。在STC15W401AS检测到电池电压低于2.5 V至发出关断Q1信号之间，应有一段100 ms左右的延时，以避免因干扰而造成误判断。当电池超过2 C(C=电池容量/小时数)电流供电时，即为过电流充电，将会导致电池的永久性损坏或出现安全问题[7-8]，因此当MOS管及三极管的压降超过正常压降0.2 V时，P1.2采集到低电平，P1.6由高电平变为低电平，使Q1由导通转为关断，从而切断了供电回路，使回路中电流为零，起到过电流保护作用。

电池在对负载供电过程中, 当电池正常供电过程中供电电流流过串联的2个MOSFET时,由于MOSFET的导通阻抗,会在其两端产生一个电压,该电压值设为U；当负载因某种原因发生异常,使回路电流增大, MOSFET的电压为U1。若回路电流大到使U1-U>0.9 V时,则可判断为负载短路,INT1采集到低电平,系统进入中断,控制Q1由导通转为关断,从而切断供电回路,起到短路保护作用。

STC15W401AS的外围电路主要应用MOS管和三极管，根据它们的开关特性，通过控制其引脚的电压来控制电路的导通或者关断，Q1和Q4作为电路总开关，当它们导通时，说明符合充电要求，可以进行充电，当它们关闭时，说明电池不符合充电要求或者该电池已充满电。 其他一部分电路是用于滤波，使电路始终通过直流电；另一部分用于保护整个电路，防止电压过高而烧坏[9-10]。

图4　锂离子电池充电供电保护电路

结语

参考文献

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王立志(硕士研究生)，研究方向为电力系统及其自动化。

Lithium Ion Battery Charge and Discharge Protection Circuit Based on STC15

Wang Lizhi1,He Donglang2,Li Dong2,Wang Deyang2,Zhang Fengyuan2

(1.Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China;2.State Grid Shandong Penglai Electric Power Company)

Abstract：Aiming at the problem of the existence mobile power supply can not be continued,an automatic charging and discharging circuit is designed.In the paper,the corresponding improvement circuits of the common lithium ion battery over-voltage and over-current protection,battery monitoring problem are proposed.The design takes the STC15W401AS,SX2105 and DS2762 as the core devices,with the corresponding peripheral circuits,which provides a reference for the application of the charging and discharging protection circuit of lithium ion battery based on MCU.

Key words:mobile power;lithium ion battery;charge and discharge protection;power detection

收稿日期：(责任编辑：薛士然2015-07-20)

中图分类号:TM502

文献标识码:A