适用于多种电压等级的蓄电池过放电保护电路

0 引言

为保证无人值守的设备(比如考勤机等)在断电后仍能运行，通常要加入蓄电池作为后备电源。在电网断电后，后备电池开始对设备进行供电。这时，必须设置电池过放电保护电路。最简单的电池保护是设置一个电压保护门限，当电池电压降到这个门限值之后，自动断开回路，停止对负载供电。但由于负载被断开之后，电池端电压会迅速升高至门限电压以上，于是电池又被重新接入电路给负载供电，此后会重复“断开一接通一断开一接通”的振荡过程，直到电池彻底耗尽。这对电池的寿命会产生很大的影响，甚至损坏电池。所以，必须设计一种带有滞回功能的自动保护电路。

目前市场上有一些现成的电池保护芯片可以应用，但这些芯片多应用于锂电池的保护，电压等级多集中在5V左右。在一些电压等级较高的蓄电池应用中，例如，10V至50V的供电系统可能就无法应用。本文提供了一种简单有效的带有滞回区的电池保护电路，可以设置两个电压门限，避免产生振荡，又因为这两个门限可以通过电阻任意设置，因此能够应用到几十伏的电池系统中。

1 保护原理

如图1(a)所示，假设电池电压为UBAT，系统只设置一个保护门限电压UTH。则当电池电压低于UTH时，比较电路输出低电平，负载被断开。但由于负载的移除，电池端电压迅速上升至UTH以上，比较器重新输出高电平，负载又被接入，从而形成振荡。


但如果在比较电路中设置两个门限电压：UTHH和UTHL(UTHH>UTHL)，则可以形成一个滞回区，如图1(b)所示。当电池电压从低升高至UTHH时，比较器输出高电平，打开电子开关，给负载供电；当电池电压降低至UTHL时，比较器输出低电平，断开负载。这个时候电池端电压虽然会迅速升高至UTHL以上，但由于达不到UTHH，所以，比较器仍然输出低电平，负载仍被断开，直到电池被充电后电压升高至UTHH以上才能再次接通负载。这样就避免了电路的振荡，保护了负载和电池。

虽然绝大多数比较器中都带有滞回电路，但通常内部滞回电路的滞回电压(即UTHH一UTHL)仅为5mV到10mV，根本不能用于过放电保护。图2(a)电路中利用比较器的输出反馈自动调节比较电压的参考值，使输入电压在不同的区间时，被比较的门限电压在UTHH和UTHL之间转化。图2(b)给出了输入信号变化时的输出响应，利用比较器的输出信号来驱动电子开关，当Output为高时，电池被接入系统，当Output为低时，负载被断开。


当电池电压UBAT较低时，比较器输出低电平，使三极管VT截止，此时的门限电压为：


直到电池电压URAT高于UTHH时比较器才输出高电平，负载才能被接通，同时VT被导通，R3近似被短路，门限电压自动调整为：

此后，即使电池电压低于UTHH，但只要仍高于UTHL，电池就一直处于输出状态，直到电压降低至UTHL后，Output为低电平，负载被断开。同时，VT变为截止，门限电压重新转化为UTHH，虽然负载的移除使电池端电压上升，但由于仍低于UTHH，负载不会重新被接通。这样就有效的保护了电池，延长了电池的使用寿命。

2 硬件电路

式(1)和式(2)是理论上的公式，实际上，为了将上述的滞回原理应用于实际的电池系统，还要考虑一个参考电压的问题。参考电压Uref是不能变的，否则上下电压门限就会发生变化。而且参考电压是由电池电压供电产生的，它必须比电池电压低的多，而且功耗极小。

图3是具体的硬件电路图，参考电压由LM285Z一2．5分流稳压器产生，它最低只需要10μA的通过电流就可输出稳定的2．5V参考电压，这可大大降低电池在低压闭锁状态的功耗。比较器选用了ST公司TS393I，它是一种微功耗比较器，这样，所有分压电阻的阻值可以选的很大，进一步降低了功耗。比较器的输出控制P沟道的MOSFET、VT3接通或断开负载。当电池电压降低到一定程度时VT2关断，使得由比较器组成的保护电路与电池断开，极大地减小的电池的能量消耗，电池处于一种近似自然放电的状态；当电池电压恢复时，VT2自然导通，保护电路重新恢复工作。


3 参数计算

我们以9V的电池为例来进行参数计算。第l步：根据电池的特性设置上下电压门限UTHH=7．8V和UTHL=6V。

第2步：为了保证当电池电压达到低电压锁存门限时分压稳压器LM285Z一2．5仍能正常工作，则要保证LM285Z一2．5上流过的电流


但由于分流稳压器还要分出一部分电流给其它电阻网络用，留出2倍的裕量，所以实际的应保证Iref>20μA，这样可求出R6=175kΩ，取R6=125kΩ。

第3步：由于电池电压比参考电压高，电池电压应先通过R4和R5组成的分压网络分压后再与参考电压分压出的基准进行比较。所以，根据电池电压设定的UTHH和UTHL就对应一个在参考电压Uref的基础上的两个门限值：UH和UL。于是式(1)和式(2)就变成：



设UL=1．25V(UL取Uref一半的大小，为的是使R1、R2、R3的阻值相对比较接近，当然也可以选择其它小于Uref的值)，则R4和R5的分压比Q=UL／UTHL，则可以根据Q=R4／(R4+R5)求出R4和R5的比值，同时也可以得到UH=UTHH×Q=4．625V。

第4步：设R1=9lkΩ，根据式(4)可求得R2=91kΩ。

第5步：根据式(3)计算出R3=78kΩ。

当电池电压降到5V以下时，VT2被断开，基本上只有阻值总和为385kΩ的电阻消耗电池的能量，放电电流只有10μA左右。

将6节1．2V的镍氢电池串联后，利用上面的参数进行测试。把电池充满后进行放电，当电压低于6V的UTHL之后，负载被断开，电池电压迅速升高至7．4V左右，但由于没有达到7．8V的UTHH，负载仍被断开，所以电路没有产生振荡。

4 结束语

这种电池保护系统的电路简单，使用灵活。只需选择供电电压较高的比较器，就可以应用到任何电压等级的电路中；只需改变电阻值就可以设置任意的导通和关断门限，从而可以具有一个较宽的安全范围。此外，在电池保护期间，由于使用的都是超低功耗的芯片和较大的电阻值，所以电池能量的消耗极少。当电池电压进一步降低时，系统会自动断开保护电路，使电池仅处于一种近似自然放电的状态，放电电流只有几个微安。

编辑：博子