中心議題：

• 電路保護(hù)原理
• 電路硬件電路
• 電路參數(shù)計算

解決方案：

• 電池保護(hù)電路帶有滯回區(qū)

為保證無人值守的設(shè)備(比如考勤機(jī)等)在斷電后仍能運(yùn)行,通常要加入蓄電池作為后備電源。在電網(wǎng)斷電后,后備電池開始對設(shè)備進(jìn)行供電。這時,必須設(shè)置電池過放電保護(hù)電路。最簡單的電池保護(hù)是設(shè)置一個電壓保護(hù)門限,當(dāng)電池電壓降到這個門限值之后,自動斷開回路,停止對負(fù)載供電。但由于負(fù)載被斷開之后,電池端電壓會迅速升高至門限電壓以上,于是電池又被重新接入電路給負(fù)載供電,此后會重復(fù)“斷開一接通一斷開一接通”的振蕩過程,直到電池徹底耗盡。這對電池的壽命會產(chǎn)生很大的影響,甚至損壞電池。所以,必須設(shè)計一種帶有滯回功能的自動保護(hù)電路。

目前市場上有一些現(xiàn)成的電池保護(hù)芯片可以應(yīng)用,但這些芯片多應(yīng)用于鋰電池的保護(hù),電壓等級多集中在5V左右。在一些電壓等級較高的蓄電池應(yīng)用中,例如,10V至50V的供電系統(tǒng)可能就無法應(yīng)用。本文提供了一種簡單有效的帶有滯回區(qū)的電池保護(hù)電路,可以設(shè)置兩個電壓門限,避免產(chǎn)生振蕩,又因為這兩個門限可以通過電阻任意設(shè)置,因此能夠應(yīng)用到幾十伏的電池系統(tǒng)中。

1保護(hù)原理

如圖1(a)所示,假設(shè)電池電壓為UBAT,系統(tǒng)只設(shè)置一個保護(hù)門限電壓UTH。則當(dāng)電池電壓低于UTH時,比較電路輸出低電平,負(fù)載被斷開。但由于負(fù)載的移除,電池端電壓迅速上升至UTH以上,比較器重新輸出高電平,負(fù)載又被接入,從而形成振蕩。

但如果在比較電路中設(shè)置兩個門限電壓：UTHH和UTHL(UTHH>UTHL),則可以形成一個滯回區(qū),如圖1(b)所示。當(dāng)電池電壓從低升高至UTHH時,比較器輸出高電平,打開電子開關(guān),給負(fù)載供電；當(dāng)電池電壓降低至UTHL時,比較器輸出低電平,斷開負(fù)載。這個時候電池端電壓雖然會迅速升高至UTHL以上,但由于達(dá)不到UTHH,所以,比較器仍然輸出低電平,負(fù)載仍被斷開,直到電池被充電后電壓升高至UTHH以上才能再次接通負(fù)載。這樣就避免了電路的振蕩,保護(hù)了負(fù)載和電池。

雖然絕大多數(shù)比較器中都帶有滯回電路,但通常內(nèi)部滯回電路的滯回電壓(即UTHH一UTHL)僅為5mV到10mV,根本不能用于過放電保護(hù)。圖2(a)電路中利用比較器的輸出反饋自動調(diào)節(jié)比較電壓的參考值,使輸入電壓在不同的區(qū)間時,被比較的門限電壓在UTHH和UTHL之間轉(zhuǎn)化。圖2(b)給出了輸入信號變化時的輸出響應(yīng),利用比較器的輸出信號來驅(qū)動電子開關(guān),當(dāng)Output為高時,電池被接入系統(tǒng),當(dāng)Output為低時,負(fù)載被斷開。

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當(dāng)電池電壓UBAT較低時,比較器輸出低電平,使三極管VT截止,此時的門限電壓為：

直到電池電壓URAT高于UTHH時比較器才輸出高電平,負(fù)載才能被接通,同時VT被導(dǎo)通,R3近似被短路,門限電壓自動調(diào)整為：

此后,即使電池電壓低于UTHH,但只要仍高于UTHL,電池就一直處于輸出狀態(tài),直到電壓降低至UTHL后,Output為低電平,負(fù)載被斷開。同時,VT變?yōu)榻刂?門限電壓重新轉(zhuǎn)化為UTHH,雖然負(fù)載的移除使電池端電壓上升,但由于仍低于UTHH,負(fù)載不會重新被接通。這樣就有效的保護(hù)了電池,延長了電池的使用壽命。

2硬件電路

式(1)和式(2)是理論上的公式,實際上,為了將上述的滯回原理應(yīng)用于實際的電池系統(tǒng),還要考慮一個參考電壓的問題。參考電壓Uref是不能變的,否則上下電壓門限就會發(fā)生變化。而且參考電壓是由電池電壓供電產(chǎn)生的,它必須比電池電壓低的多,而且功耗極小。

圖3是具體的硬件電路圖,參考電壓由LM285Z一2．5分流穩(wěn)壓器產(chǎn)生,它最低只需要10μA的通過電流就可輸出穩(wěn)定的2．5V參考電壓,這可大大降低電池在低壓閉鎖狀態(tài)的功耗。比較器選用了ST公司TS393I,它是一種微功耗比較器,這樣,所有分壓電阻的阻值可以選的很大,進(jìn)一步降低了功耗。比較器的輸出控制P溝道的MOSFET、VT3接通或斷開負(fù)載。當(dāng)電池電壓降低到一定程度時VT2關(guān)斷,使得由比較器組成的保護(hù)電路與電池斷開,極大地減小的電池的能量消耗,電池處于一種近似自然放電的狀態(tài)；當(dāng)電池電壓恢復(fù)時,VT2自然導(dǎo)通,保護(hù)電路重新恢復(fù)工作。


3參數(shù)計算

我們以9V的電池為例來進(jìn)行參數(shù)計算。第l步：根據(jù)電池的特性設(shè)置上下電壓門限UTHH=7．8V和UTHL=6V。

第2步：為了保證當(dāng)電池電壓達(dá)到低電壓鎖存門限時分壓穩(wěn)壓器LM285Z一2．5仍能正常工作,則要保證LM285Z一2．5上流過的電流


但由于分流穩(wěn)壓器還要分出一部分電流給其它電阻網(wǎng)絡(luò)用,留出2倍的裕量,所以實際的應(yīng)保證Iref>20μA,這樣可求出R6=175kΩ,取R6=125kΩ。