锂离子电池管理电路摸爬滚打记

原创，请勿转载）  


    从98年设计手机电池（锂离子电池）充电器开始，到2000年设计第1个锂离子电池保护板，到2001年设计2节串联的DVD电池电路，到2002年设计3节串联的电热电池电路，到2003年设计4节串联的笔记本电脑电池电路，再到2005年设计7S、10S、13S、20S的动力锂离子电池电路，一直到现在，在锂离子电池行业里已经摸爬滚打8年了，其中有许多的失败，也有不少的成功，辛酸的泪水与快乐的笑容一起伴随着我在这个行业里成长着，这一路走来，有时摔得很痛，有时也收获甜美的果实，我愿意把我的这些经历，尤其是成长中的失败经历，记录下来，与大家分享，同时希望读我文章的人能从中吸取些技术上的经验教训，免走弯路。

    在98年时，由于我原来所在的公司转行了，公司里不再需要电子技术人员，我就离开了旧公司，到了一家专业从事手机电池与充电器产品的公司里工作，当时我对锂离子电池及充电器毫无了解，由于当时的总工知道我会用PROTEL设计PCB板，因此就录用了我，让我在开发部工作，刚进入公司时，我的月薪比我在旧公司时还要低，只有1350元。

    我清楚的记得，我的第一个工作就是让我设计一块手机用锂离子电池充电器的PCB，这是一个双槽的锂离子电池充电器，它的前槽是对手机充电的，后槽是对电池充电的，当前槽插入手机，而后槽也有电池时，前槽的手机能够优先充电，前槽手机充满后自动转入后槽电池充电。这种类型的充电器现在市场上已不常见到了，但在当时，此类的充电器却很普及。

    这个充电器是当时的总工用三星单片机设计的，这颗单片机并没有A/D转换功能，因此价格很低，它的A/D转换是利用两个运算放大器实现的，用来检测电池电压，由于当时我只负责设计PCB，具体的软件未曾见到，但充电器的充电效果还是较理想的。三星的单片机性价比较高，在98年时，这样的电路成本算是较低的，因此整个产品还是很有市场竞争力的。我很想在这里把当时的充电器电路贴上来，但在硬盘里找了很久，也没找到电路的备份，只好作罢，只能等有时间时，我重新画一个贴上来，8年过去了，这样的电路估计现在也不会再有人使用了，不再算是旧公司的技术机密了吧。：）

    我的总工所设计的这个充电器电路，它的输入电源就是手机原配的电源适配器，电路中通过TL494构成的BUCK电路进行DC/DC转换来降压，TL494的两路反馈中，一路作为电压反馈来进行恒压控制，另一路作为电流反馈进行恒流控制，而单片机在其中的作用就是检测电压、作充电指示、以及控制TL494的电流档（电流分成高低两档）或关闭整个充电电路。它的充电方式从严格来说，是不算CC/CV模式的，因为单片机会每隔一段时间（比如30秒左右）关断充电电路，检测电池的电压是否达到4V2，若达到，则判断为电池已经充满。这个电路虽然在今天看来并不是很理想的，但它的确能将电池充满。

    在电路板打样回来后，研发人员对充电器进行了测试，认为功能是正常的，但这个电路在对有些电池充电时，测试的工程师说充电器有时会充到“开路”，这是我第一次在公司听到这个名词，而所谓的“开路”现象，也就是说，充电器的负载断开了，在当时，我只是设计PCB，并不明白它为什么会变成“开路”，而在实质上，是这个充电器在某种状态下，把锂离子电池充电到进入保护状态了，而无法再充电，表现出了“开路”的状态。不过，虽然会开路，开发部的工程师认为这可能是电池的问题，因为有的电池在同一台充电器上并不会出现充电过程中的“开路”现象。不过，会出现“开路”现象的电池，在有的充电器上并不会出现同样的问题，这听起来这有些象是兼容性问题，就比如一个用户有个CDROM，读不出盘，他找到CDROM厂家，厂家说是盘的问题，因为他的CDROM可以读出好盘，他又找到卖盘的，卖盘的说是CDROM的问题，因为别的CDROM能读出这张盘，于是这个用户的问题仍然无法解决。在当时，我们也认为这并不是充电器的问题。：）

     我的总工在我来这个公司2个月后，因为个人发展原因，就离开这个公司了，在他离开后，我才得知，他的年薪是60万，这个数字，对当时的我来说，简直是个天文数字，我无论如何也想不明白，拿着这么高的薪水，为何还要离开。

     总工离开两天后，总台小姐让我去总经理办公室开会，我隐隐约约感觉到，一定是有什么重要的事要让我来做了。

   当我来到总经理办公室时，我的心里变得紧张了起来，因为我看到办公室的圆桌上坐着3个人，都是公司的高层，其中包括董事长和总经理、以及副总，总经理向我了解了一些我以前所做过的产品研发，并问我对单片机是否了解，对此我给予了很有信心的答复。因为对于单片机，我从94年就开始使用了，不过只用过MICROCHIP的PIC16C54~57系列，我曾用PIC单片机开发过几种产品，其中包括防盗报警器，钟控开关插座之类。总经理告诉我，由于总工离开了公司，现在公司里需要一个熟悉单片机应用的人，来做充电器产品的研发工作，但由于公司里缺乏这方面的人才，希望我能帮助公司把这方面的事情扛起来，我当时并不熟悉三星单片机的应用，也对充电器产品了解不深，但面对领导的信任与期待，我爽快地答应了。

     在我走出总经理办公室时，副总笑着对我说：“喔，我并不知道是你来到公司了。”，我也跟着笑了，知道他想起我了。这里我补充一段两年前的一段故事。

     我在96年时，经一位朋友的介绍，就曾经到这家公司应聘过，当时面试我的是企划部的经理，面试时，先是填了一张履历表，又被要求翻译一篇英文资料，然后被带到电脑前操作一些软件，我当时一共被要求做了AUTOCAD的软件操作，还有数据库软件DBASE的软件操作和PROTEL的软件操作，由于我94年就有电脑了，平常又爱玩各种软件，因此这些操作对我来说是小菜一碟，但我把英语文章翻译得一踏糊涂，不过我的其它能力让面试者认为我可以一用，于是我就被带到了一位管理员前面，那位管理员看到我翻译的文章，对我说：“你的英文比较差呀”，不过企划部经理向他说明我其它方面还不错，因此他同意录用我了。而当时的这位管理员就是现在的副总（在今天，他已经是公司的总载了，管着好几个总经理：）。）不过，在96年时，我虽然被录用了，但并未到这个公司报到，仍然留在了旧公司。两年后的重新相聚，也许真的算是缘份了！

    在此前，开发部的经理一职是总工兼任的，在总工离开后，就由企划部的经理担任开发部的经理了，从此，我在这家公司里，从电子工程师一直做到副总工程师，他在很长一段时间里一直都是我的上级，我的成长与他的培养是分不开的，即使现在已经离开了这家公司，内心里仍然对他很感激，当时我称呼他为“郭经理”，我本无意把他的姓氏写出来的，但为了文章里表达的方便，只好这样，对我稍有熟悉的人，应都能猜出他是谁了。

    在当时，公司里还没有开始生产锂离子电池（锂离子电池是99年才开始生产的），所生产的产品就是充电器和其它次要配件（如手机皮套之类），而充电器是关系到整个公司生存的重要产品，对于整个公司来说， 研发与销售是整个公司管理体系的重中之重，在总工离职后，研发的管理重担就落在了开发部的新经理—郭经理身上了。

    郭经理在未上任前，已感觉到了充电器产品中可能存在的质量问题，而他无法知道问题出在哪里，不过他有他的管理方法，从他上任开始，就要求整个开发部“一切用数据说话”，并把它写成大字的横幅，挂在了开发部的墙壁上。在开发部的第一次全体会议上，他告诉我们不要主观判断一个产品是好还是不好，充电器对电池是充得满还是充不满，要用数据来说话，用电压、电流、充电时间等详细的测试数据来说话，并提出了“充电饱和度”这个概念，用“充电饱和度”作为判断充电器好坏的标准之一。我想很多读者对这个概念可能是陌生的，在这里我就对此作一说明。

    所谓的充电饱和度，是先将测试用的锂离子电池以0.2C的电流进行CC/CV（指恒流/恒压，下同）充电，当充电到CV（指恒压，下同）模式电流小于0.01C时，认为电池已经充满，并将电池搁置1小时左右，再将它以0.2C的电流进行CC（指恒流，下同）放电，放电至2.75V截止电压，计算电池所放出的容量值（电流与时间乘积的积分），认为这是电池的实际容量值。接着将该电池用充电器进行充电，直至充电器判断为充满后转灯（充电时的红灯转为充满时的绿灯），取下电池，将电池搁置1小时左右，再将电池以0.2C的电流进行CC放电，放电至2.75V截止电压，计算电池所放出的容量值，此时的容量值是充电器对电池的充满容量。而充电饱和度=充电器对电池的充满容量/电池的实际容量*100%，这个百分值就是充电饱和度。在引进这个概念后，一个充电器是否能对电池充满，它的充电效果如何，就一目了然了。

    与之前的开发部经理相比，郭经理是一个对电子技术并不精通的管理人员，但他优秀的技术管理能力，却从此得以发挥，对公司未来的发展，起了重要作用。从他身上，我开始学到一些技术之外的重要东西。

    郭经理上任的第二件事，就是建立手机充电器产品的企业标准，这个任务指定由60多岁的黄工（高级工程师）来完成，黄工曾在省内一家大型国有企业担任过总工，对企业产品的标准化方面非常熟悉，他在退休后继续散发着余热，为这个公司贡献着自已多年的工作经验。黄工的性子很直爽，总是不留情面的指出别人的错误，而且对工作一丝不苟，绝不容许有丝毫的差错，哪怕有一点小错，也一定要别人改正。就比如电路原理图中所标注的1k电阻，k字必须小写，如果写成大写的K字，在标准化方面，是无法通过他的审核的。我刚开始时在他那里也吃过许多苦头，设计文件常常无法通过标准化审核，但经过一段时间磨练后，工程师们就会很自觉地做到文件符合标准化要求了。这种磨练，对新工程师来说实际上是很需要的，现在每当我看到一些工程师乱七八糟的图纸时，总会想起近乎苛刻的可敬又可爱的黄工。

    充电器产品的企业标准，从初稿到复审再复审，反复修改后，终于制订完成了。有了标准之后，就象有了把尺子，就有了对产品质量好坏的衡量依据，公司产品的质量管理方面，开始慢慢走向正轨。

    顺便插上一句，当99年国家开始制订手机充电器产品的国家标准时，就是在这份企业标准上作了些修改而完成的，而同样，在以后制订锂离子电池产品的国家标准时，这家公司的锂离子电池产品企业标准也成为了制订国家标准的重要参考。

    在那以后，我开始学习三星单片机，准备接手新项目的开发，但新的充电器产品中仍然沿用着旧电路，由于此前公司已经掩膜了几种共几十万片的三星单片机在仓库里，这些单片机是必须要先用掉的，而我所能做的工作，就是设计新产品的PCB，所谓的新产品，其实只是外形各不相同，而内部的电路与之前所用的电路是一样的。

    也许是公司出于对我的能力的担心，在一个月之后，又用高薪从部队聘请来了两位单片机的应用高手，让他们用三星单片机为公司开发新的电路，我则继续开发用旧电路的新产品。而对我来说，我觉得我一定可以从这两位高手身上学到新的东西，同时，我并没有把三星单片机放下，也在继续学习着。

    新聘请来的两位工程师不愧是业内的高手，他们以前也从未使用过三星单片机，但有二十多年的研发经验，只用了两周时间就完全熟悉了硬件与指令系统，并开始了新方案的设计。

    新的充电器电路方案采用了三星的KS86P4304（注：这个型号的单片机后来被三星公司改名为S3C9434）单片机来控制，这颗单片机有多路A/D，并有一路PWM输出，因此新方案中就不再使用TL494，而由单片机产生的PWM来控制输出电压与电流，这样电路更为简洁明了，而成本也略有下降，不过，在充电器对电池充电的检测过程中，有时仍然会出现充电器把电池充到“开路”的现象。

    这时已经是1999年，国内已经有了第一部国产手机，还有不少国内公司准备进入手机行业，公司内锂离子电池的制造与生产也已开始上马，这时生产的锂离子手机电池，还是以品牌电池为主，主要是给国外手机配套的二手电池。我们在对各种锂离子电池的检测过程中，发现不同的锂离子电池内部的保护电路的过充电保护值是不一样的，有些电池是4.35V，有些电池是4.25V，还有的则是4.2V左右，保护值越低的电池，越容易出现“充电开路”现象。针对这个问题，郭经理与两位工程师作了研究后，决定用一些智能的办法来解决，就是在充电器内部加一个小电流放电回路，充电时先用正常的恒压值（4V2）对电池进行充电，一旦判断到电池被充电至进入保护状态，就打开放电回路对电池放电，解除电池的过充电保护，然后再用低一档的电压值对电池充电，以避免将电池充电至过充电保护状态。这种方法虽然能对“开路”问题有所解决，但毕竟增加了电路成本，也使电路变得复杂了。

    由于原有的掩膜芯片库存太多，而在1999年时，充电器行业内又有新的厂家不断加入，竞争日趋激烈，利润不断下滑，公司在手机充电器行业的市场份额也有所萎缩，两位工程师所设计的充电器电路，最终未能形成大批量的生产，而公司也已经处于连续两年的亏损之中，因此在年底，两位高工与公司的合同到期后，公司决定不再续签，这样，用单片机做充电器开发的后续工作，又自然地移到了我的身上。

    新世纪到来时，我在新公司里也已工作一年多了，此时的公司，在连续亏损的压力下，不再呈现出原有的活力，手机充电器行业的竞争也越来越恶化，许多厂家都在打价格战，利润也越来越低。而在手机行业，却正是国产手机刚刚破土发芽的状态，此时对市场有着敏锐嗅觉的公司高层，从中看到了一线生机，毅然决定另外成立一个独立核算的部门，专业从事手机锂离子电池行业，并把OEM客户作为重点的发展方向，从而公司内按充电器与电池分成了两大部门。 

    这个新成立的部门叫能源事业部，刚成立时只有6个人（线上的工人不算在内），由原来的副总任总经理，原开发部经理担任副总，从外部聘来一名厂务经理，剩下的三人都属于开发部，1个是结构主管，1个是电路主管，1个是工艺主管，开发部也不设经理，直接归副总管辖。这时的我们，只有官，没有兵，一切都要从头开始。

    由于公司里用单片机开发充电器方面的工作，仍然无人接手，我只好在开发锂离子电池保护电路的同时，也兼着充电器的开发工作。这时的我，才第一次真正地接触到锂离子电池的保护电路，当时所使用的保护IC，是精工公司的S-8491，这颗保护IC是精工公司早期出品的，性能不太好，它的典型应用电路如下图所示。而配套使用的MOSFET，是FAIRCHILD公司的FDS9926，这颗MOSFET导通电阻较大，达到35毫欧，因此整个保护电路上的内阻，会达到70毫欧。由于精工的这颗IC的过流检测电压值只有0.1V，但由于过流检测是从MOSFET相连的D极处取样，因此整个保护电路的过流检测值还算正常，有0.1/0.35=2.8A左右。这个电路让我吃过一次苦头，下文中继续说明。

    与精工后来推出的S-8231、S-8241、S-8261单节锂离子电池保护IC相比，S-8491是个相当不成熟的产品，但那时却是我唯一的选择，因为当时市场上的单节锂离子电池保护IC，除了精工，只有理光，而理光与我们并无任何业务往来。
 
    S-8491的最大不足之处，是它过充电保护后的恢复，当电池被过充电保护后，它的保护解除条件只有一种，就是电芯的电压下降到过充电保护恢复电压以下，而如果电芯电压未降到该电压以下，即使电池不再充电，而是接着负载放电，它也不解除对电池的过充电保护。 

    当我们用这颗保护IC做了些锂离子电池给一个重要的客户测试时，问题就出现了，客户发现这种电池在充电器上充满后放在手机上使用时，手机却显示低电量的格数，而且待机时间非常短。而有的时候，充满的电池在手机上显示低电量的格数，用了一段时间后，电量的格数却跳变为满格了，待机时间也随之变长。我们将客户的手机、充电器与电池一起做了实验，确实存在这么奇怪的现象，再进一步深入分析，发现根本原因在于充电器，但会发现这种问题却与保护IC脱不了干系。
 
    这个问题实际上是这样产生的，首先，客户使用了非CC/CV模式的充电器（比如早期诺基亚手机的充电电路），由于充电电压过高，充电器将电池充电到进入过充电保护状态，这时，由于充电电流不再存在，充电器显示电池已充满。当用户将电池接入手机时，假设此时电芯电压为4.3V，由于充电保护的MOSFET仍处于关断状态，电池端的输出电压=4.3V-0.7V=3.6V，其中的0.7V压降是充电保护MOSFET关断后的体二极管产生的。手机检测到电池电压只有3V6，自然显示低电量的格数，随着使用过程，电池端的电压继续下降，有的手机下降到3V4时，就自动关机了，而此时的电芯电压还有4.1V(3.4V+0.7V)，当然待机时间极短。而有的手机下降到3V3才关机，但是由于降到3.35V时，电芯的电压为3.35+0.7=4.05V，低于过充电保护恢复电压，此时保护解除，电池端电压与电芯电压相等，手机显示的电池电量格数就会从低格数跳变成满格，待机时间也变长。 

    而如果被过充电保护的电池，在移去充电器接入负载后，能自动解除保护，就不会产生这种现象，国外一些手机厂家的电池由于采用其它型号保护IC，并没有发现类似的问题。在这次产品开发过程中，我们无力去指责客户的充电电路有问题，只能去改善自已的电池电路。在新的电池产品开发中，我于是丢弃了S-8491，采用了精工公司刚推出不久的新产品S-8231，但在新的电路上，我遭遇到了工作以来的最大失败。

   新世纪到来时，我在新公司里也已工作一年多了，此时的公司，在连续亏损的压力下，不再呈现出原有的活力，手机充电器行业的竞争也越来越恶化，许多厂家都在打价格战，利润也越来越低。而在手机行业，却正是国产手机刚刚破土发芽的状态，此时对市场有着敏锐嗅觉的公司高层，从中看到了一线生机，毅然决定另外成立一个独立核算的部门，专业从事手机锂离子电池行业，并把OEM客户作为重点的发展方向，从而公司内按充电器与电池分成了两大部门。

    这个新成立的部门叫能源事业部，刚成立时只有6个人（线上的工人不算在内），由原来的副总任总经理，原开发部经理担任副总，从外部聘来一名厂务经理，剩下的三人都属于开发部，1个是结构主管，1个是电路主管，1个是工艺主管，开发部也不设经理，直接归副总管辖。这时的我们，只有官，没有兵，一切都要从头开始。

    由于公司里用单片机开发充电器方面的工作，仍然无人接手，我只好在开发锂离子电池保护电路的同时，也兼着充电器的开发工作。这时的我，才第一次真正地接触到锂离子电池的保护电路，当时所使用的保护IC，是精工公司的S-8491，这颗保护IC是精工公司早期出品的，性能不太好，它的典型应用电路如下图所示。而配套使用的MOSFET，是FAIRCHILD公司的FDS9926，这颗MOSFET导通电阻较大，达到35毫欧，因此整个保护电路上的内阻，会达到70毫欧。由于精工的这颗IC的过流检测电压值只有0.1V，但由于过流检测是从MOSFET相连的D极处取样，因此整个保护电路的过流检测值还算正常，有0.1/0.35=2.8A左右。这个电路让我吃过一次苦头，下文中继续说明。

   新聘请来的两位工程师不愧是业内的高手，他们以前也从未使用过三星单片机，但有二十多年的研发经验，只用了两周时间就完全熟悉了硬件与指令系统，并开始了新方案的设计。 

    新的充电器电路方案采用了三星的KS86P4304（注：这个型号的单片机后来被三星公司改名为S3C9434）单片机来控制，这颗单片机有多路A/D，并有一路PWM输出，因此新方案中就不再使用TL494，而由单片机产生的PWM来控制输出电压与电流，这样电路更为简洁明了，而成本也略有下降，不过，在充电器对电池充电的检测过程中，有时仍然会出现充电器把电池充到“开路”的现象。 

    这时已经是1999年，国内已经有了第一部国产手机，还有不少国内公司准备进入手机行业，公司内锂离子电池的制造与生产也已开始上马，这时生产的锂离子手机电池，还是以品牌电池为主，主要是给国外手机配套的二手电池。我们在对各种锂离子电池的检测过程中，发现不同的锂离子电池内部的保护电路的过充电保护值是不一样的，有些电池是4.35V，有些电池是4.25V，还有的则是4.2V左右，保护值越低的电池，越容易出现“充电开路”现象。针对这个问题，郭经理与两位工程师作了研究后，决定用一些智能的办法来解决，就是在充电器内部加一个小电流放电回路，充电时先用正常的恒压值（4V2）对电池进行充电，一旦判断到电池被充电至进入保护状态，就打开放电回路对电池放电，解除电池的过充电保护，然后再用低一档的电压值对电池充电，以避免将电池充电至过充电保护状态。这种方法虽然能对“开路”问题有所解决，但毕竟增加了电路成本，也使电路变得复杂了。
 
    由于原有的掩膜芯片库存太多，而在1999年时，充电器行业内又有新的厂家不断加入，竞争日趋激烈，利润不断下滑，公司在手机充电器行业的市场份额也有所萎缩，两位工程师所设计的充电器电路，最终未能形成大批量的生产，而公司也已经处于连续两年的亏损之中，因此在年底，两位高工与公司的合同到期后，公司决定不再续签，这样，用单片机做充电器开发的后续工作，又自然地移到了我的身上。 

    郭经理上任的第二件事，就是建立手机充电器产品的企业标准，这个任务指定由60多岁的黄工（高级工程师）来完成，黄工曾在省内一家大型国有企业担任过总工，对企业产品的标准化方面非常熟悉，他在退休后继续散发着余热，为这个公司贡献着自已多年的工作经验。黄工的性子很直爽，总是不留情面的指出别人的错误，而且对工作一丝不苟，绝不容许有丝毫的差错，哪怕有一点小错，也一定要别人改正。就比如电路原理图中所标注的1k电阻，k字必须小写，如果写成大写的K字，在标准化方面，是无法通过他的审核的。我刚开始时在他那里也吃过许多苦头，设计文件常常无法通过标准化审核，但经过一段时间磨练后，工程师们就会很自觉地做到文件符合标准化要求了。这种磨练，对新工程师来说实际上是很需要的，现在每当我看到一些工程师乱七八糟的图纸时，总会想起近乎苛刻的可敬又可爱的黄工。  

    充电器产品的企业标准，从初稿到复审再复审，反复修改后，终于制订完成了。有了标准之后，就象有了把尺子，就有了对产品质量好坏的衡量依据，公司产品的质量管理方面，开始慢慢走向正轨。 

    顺便插上一句，当99年国家开始制订手机充电器产品的国家标准时，就是在这份企业标准上作了些修改而完成的，而同样，在以后制订锂离子电池产品的国家标准时，这家公司的锂离子电池产品企业标准也成为了制订国家标准的重要参考。
 
    在那以后，我开始学习三星单片机，准备接手新项目的开发，但新的充电器产品中仍然沿用着旧电路，由于此前公司已经掩膜了几种共几十万片的三星单片机在仓库里，这些单片机是必须要先用掉的，而我所能做的工作，就是设计新产品的PCB，所谓的新产品，其实只是外形各不相同，而内部的电路与之前所用的电路是一样的。 

    也许是公司出于对我的能力的担心，在一个月之后，又用高薪从部队聘请来了两位单片机的应用高手，让他们用三星单片机为公司开发新的电路，我则继续开发用旧电路的新产品。而对我来说，我觉得我一定可以从这两位高手身上学到新的东西，同时，我并没有把三星单片机放下，也在继续学习着。 

    （待续）

    （注:我的BLOG： http://azhu.blog.dianyuan.com/ ）