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。[!--empirenews.page--]
    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。

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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。