【应用】基于日清纺锂电池保护IC的防爆智能终端锂电池保护板方案，可顺利通过GB3836标准中IIB等级的认证

当今社会随着信息化程度的不断提升，越来越多的场景需要使用电子设备来提升效率，行业智能终端便是其中之一。煤矿、加油加气站、液化气站点等特殊应用场景中，普通的PDA无法保证使用安全性，因此防爆PDA应运而生。

本安型防爆PDA设计中，除了主板电路本身设计要求之外，对于防爆电池的设计也提出了更高的要求，电池保护板由通常的单级防护提升为至少二级防护，同时对于电芯的材料也提出了更高的要求。电芯需通过如下测试（本文终端测试以GB3836 Exib IIB T4标准为例说明，电芯有单独的测试标准， MT/T 1051-2007 矿灯用锂离子蓄电池）：

1)   挤压：以I5A方法充电后24h内进行挤压试验，将电池放置在挤压设备的两个挤压平面之间，逐渐增加压力至13kN，保持压力1min。电池不应起火、不爆炸。

2)   热冲击：以I5A方法充电后24h内进行热冲击试验，将电池放置于热箱中，温度以（5±2）℃/min的速率升温至（130±2）℃并保温30min，然后取出，恢复至室温。电池应不起火、不爆炸。

3)   过充电：在环境温度（20±5）℃下，电池先以I5A电流放电至终止电压，将电池置于通风橱中，连接电池正负极于直流电源，调节电源输出电流至15I5A，输出电压不低于10v，持续充电7h或电池电压不再增大。电池应不起火、不爆炸。

4)   强制放电：在环境温度（20±5）℃下，电池以I5A电流放电至终止电压，然后以5I5A的电流对电池进行反向充电90min。内部安装可恢复式温度或过流保护装置的电池，可选用不至于使该装置动作的最大电流对电池进行反向充电，直到电池的端电压低于0.2v。电池应不起火、不爆炸。

5)   短路：以I5A方法充电后24h内进行短路试验，在环境温度（20±5）℃下，将接有热电偶的电池置于通风橱中，短路其正负极，线路总电阻不大于100mΩ。直到电池负载电压小于0.1v，并且电池表面温度恢复至不高于环境温度10℃时，结束试验。在环境温度（55±5）℃下，将接有热电偶的电池置于高温箱中，先保持1.5h～2h，然后短路其正负极，线路总电阻不大于100mΩ。直到电池负载电压小于0.1v，并且电池表面温度恢复至不高于环境温度10℃时，结束试验。每种温度试验3只电池。电池应不起火、不爆炸。电池的外表面温度不应高于135℃。

6)   针刺：以I5A方法充电后24h内进行针刺试验，在环境温度（20±5）℃下，将接有热电偶的电池置于通风橱中，用直径3mm的无锈蚀钢针以20mm/s～40 mm/s的速度刺穿电池最大表面的中心位置，并保持1min。电池应不起火、不爆炸。电池的外表面温度不应高于135℃。

7)   重物冲击：以I5A方法充电后24h内进行重物冲击试验，将电池放置于测试平面上，将一Φ15.8mm的钢柱置于电池中心，钢柱的纵轴平行于平面，让质量9.1kg的重物从610mm高度自由落到电池中心上方的钢柱上。电池应不起火、不爆炸。

对于防爆电池保护板的设计，主要包括如下物料：两颗保护IC、两个双路N沟道MOS管、一颗高精度合金电阻用于输出限流检测、NTC电阻用于整机系统中电池温度的检测以确保电池过热时的系统级防护。

本保护板设计中，采用日清纺的锂电池保护IC，两颗保护IC中，R5480K261CL用于一级防护，R5421N152F用于二级防护。二级保护IC会在一级保护失效或者没有正常启动的情况下，达到相应条件后自动启动保护。一级保护IC是系统的设计重点，大部分的保护功能在一级保护中实现。下面是两颗IC的结构图和引脚功能表格：

图1  R5421N152F内部结构图

R5421N152F同时带有过充和过放时的自动恢复功能，如图1所示，其内部由三个电压比较器，一个参考电路，一个延时电路，一个短路保护器和一个逻辑电路组成。主要引脚功能如下：

表1  R5421N152F引脚功能说明

表2  R5480K261CL引脚功能说明

R5480K261CL 典型应用电路如图2所示：

图2  R5480K261CL应用电路

图2中，R1和C1用于R5480的稳定供电。R1的值不大于1kΩ。R1的值越大，R5480的检测电压漂移值越大，而且要求C1≥0.01uF。当出现反向充电或者过充电时，R1和R2起着限制进入R5480和电芯的电流的作用。R1和R2的值不能太小，值越小造成的系统功耗会越大，因此要求（R1+R2）的值不小于1kΩ，同时要求R2≤10kΩ。R3是过电流检测电阻，要求至少1206封装的大功率合金电阻，其系统的限流值

注：限流即过放电流的检测，规格书中的Vdet3，

限流值=Vdet3/ Rsense串联的电阻值，

上图中R3=10mΩ，计算结果为整个系统最大输出电流4A，而在IIB认证中，建议电流不超过2A。

由于MOS制造工艺问题，同批次的MOS，内阻并不能做到精确控制，因此用R5480K261CL做一级防护IC，其自带的RSENSE电流检测功能可以精确控制放电电流值，比利用MOS管内阻的方案，电流控制更加精准，有利于顺利通过防爆认证，并且后期量产过程中，可以更好的控制放电电流的一致性，电流控制区间更精确。

通过比较R5480K261CL和R5421N152F两颗保护IC的参数我们可以发现，一级保护芯片R5480K261CL的过充保护电压4.28v，二级保护芯片R5421N152F的过充电压4.35v，保证了过充保护过程中，一级保护先于二级保护启动。类似的，过放电检测电压，一级保护为2.7v，二级保护为2.5v，一级保护同样先于二级保护启动。这样的设计保证远离电芯的一级防护电路承担大部分的防护功能，增强对电芯的有效保护。

在GB3836防爆认证中最重要的是火花点燃试验，该试验尤其要注意保护IC的短路保护响应时间要尽量短，以保证在V-引脚检测到外部电路短路时，尽快的切断电路，释放的能量尽量少，不引爆测试气体。IIB测试中需要使用1.5倍系统参数，在测试仪器中可以通过改变爆炸气体的组成成分实现，而不需要重新设计1.5倍电流或者1.5倍电压的保护板。

需要注意的是，防爆终端由于输出电流受限，一般要求最大输出在2A以内，相应的射频输出功率也要限制在一定幅度内，带来的问题就是在3G/4G信号弱的情况下，终端搜网时的尖峰电流要求会导致电池输出电流突然增大，触发保护而导致突然的黑屏关机。因此在设计和出厂校准的过程中，需要软硬件限制总体的输出功率，既保证移动终端网络连接的正常，同时兼顾到整机功耗。

保护板系统原理图如图3所示：

图3  锂电池双重保护板电路图

图3中，RS1=20mΩ，对应放电限制电流为2A，一旦负载电流超出2A后，保护芯片R5480K261CL 的DOUT立即切断电源输出，能够有效的起到保护作用。

NTC电阻，需要根据整机系统的设计来选定，涉及到PDA所用平台的系统软件，本系统设计中选用常温下阻值为47kΩ，±1%精度的NTC。

实物图片如下：

结语：

本设计综合利用了R5480K261CL和R5421N152F两颗保护IC参数的匹配特性，设计出简洁实用的防爆电池保护板，可顺利通过GB3836标准中IIB等级的认证。

关于NISSHINBO (日清纺)

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