引言

為保證無人值守的設備(比如考勤機等)在斷電后仍能運行，通常要加入蓄電池作為后備電源。在電網斷電后，后備電池開始對設備進行供電。這時，必須設置電池過放電保護電路。最簡單的電池保護是設置一個電壓保護門限，當電池電壓降到這個門限值之后，自動斷開回路，停止對負載供電。但由于負載被斷開之后，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載供電，此后會重復“斷開一接通一斷開一接通”的振蕩過程，直到電池徹底耗盡。這對電池的壽命會出現很大的影響，甚至損壞電池。所以，必須設計一種帶有滯回功能的自動保護電路。

目前市場上有一些現成的電池保護芯片可以應用，但這些芯片多應用于鋰離子電池的保護，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用中，例如，10V至50V的供電系統可能就無法應用。本文供應了一種簡單有效的帶有滯回區的電池保護電路，可以設置兩個電壓門限，防止出現振蕩，又因為這兩個門限可以通過電阻任意設置，因此能夠應用到幾十伏的電池系統中。

1保護原理

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

但假如在比較電路中設置兩個門限電壓：UTHH和UTHL(UTHH>UTHL)，則可以形成一個滯回區，如圖1(b)所示。當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，給負載供電；當電池電壓降低至UTHL時，比較器輸出低電平，斷開負載。這個時候電池端電壓雖然會迅速升高至UTHL以上，但由于達不到UTHH，所以，比較器仍然輸出低電平，負載仍被斷開，直到電池被充電后電壓升高至UTHH以上才能再次接通負載。這樣就防止了電路的振蕩，保護了負載和電池。

雖然絕大多數比較器中都帶有滯回電路，但通常內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。圖2(a)電路中利用比較器的輸出反饋自動調節比較電壓的參考值，使輸入電壓在不同的區間時，被比較的門限電壓在UTHH和UTHL之間轉化。圖2(b)給出了輸入信號變化時的輸出響應，利用比較器的輸出信號來驅動電子開關，當Output為高時，電池被接入系統，當Output為低時，負載被斷開。

當電池電壓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，負載才能被接通，同時VT被導通，R3近似被短路，門限電壓自動調整為：

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，直到電壓降低至UTHL后，Output為低電平，負載被斷開。同時，VT變為截止，門限電壓重新轉化為UTHH，雖然負載的移除使電池端電壓上升，但由于仍低于UTHH，負載不會重新被接通。這樣就有效的保護了電池，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用于實際的電池系統，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生變化。而且參考電壓是由電池電壓供電出現的，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分流穩壓器出現，它最低只要10μA的通過電流就可輸出穩定的2．5V參考電壓，這可大大降低電池在低壓閉鎖狀態的功耗。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接通或斷開負載。當電池電壓降低到一定程度時VT2關斷，使得由比較器組成的保護電路與電池斷開，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；當電池電壓恢復時，VT2自然導通，保護電路重新恢復工作。

3參數計算

我們以9V的電池為例來進行參數計算。第l步：根據電池的特性設置上下電壓門限UTHH=7．8V和UTHL=6V。

第2步：為了保證當電池電壓達到低電壓鎖存門限時分壓穩壓器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壓器還要分出一部分電流給其它電阻網絡用，留出2倍的裕量，所以實際的應保證Iref>20μA，這樣可求出R6=175kΩ，取R6=125kΩ。

第3步：由于電池電壓比參考電壓高，電池電壓應先通過R4和R5組成的分壓網絡分壓后再與參考電壓分壓出的基準進行比較。所以，根據電池電壓設定的UTHH和UTHL就對應一個在參考電壓Uref的基礎上的兩個門限值：UH和UL。于是式(1)和式(2)就變成：

設UL=1．25V(UL取Uref一半的大小，為的是使R1、R2、R3的阻值相比較較接近，當然也可以選擇其它小于Uref的值)，則R4和R5的分壓比Q=UL／UTHL，則可以根據Q=R4／(R4+R5)求出R4和R5的比值，同時也可以得到UH=UTHH×Q=4．625V。

第4步：設R1=9lkΩ，根據式(4)可求得R2=91kΩ。

第5步：根據式(3)計算出R3=78kΩ。

當電池電壓降到5V以下時，VT2被斷開，基本上只有阻值總和為385kΩ的電阻消耗電池的能量，放電電流只有10μA左右。

將6節1．2V的鎳氫電池串聯后，利用上面的參數進行測試。把電池充滿后進行放電，當電壓低于6V的UTHL之后，負載被斷開，電池電壓迅速升高至7．4V左右，但由于沒有達到7．8V的UTHH，負載仍被斷開，所以電路沒有出現振蕩。

4結束語

這種電池保護系統的電路簡單，使用靈活。只需選擇供電電壓較高的比較器，就可以應用到任何電壓等級的電路中；只需改變電阻值就可以設置任意的導通和關斷門限，從而可以具有一個較寬的安全范圍。此外，在電池保護期間，由于使用的都是超低功耗的芯片和較大的電阻值，所以電池能量的消耗極少。當電池電壓進一步降低時，系統會自動斷開保護電路，使電池僅處于一種近似自然放電的狀態，放電電流只有幾個微安。