電子技術(shù)原理

1、前言：隨著人類科學(xué)的不斷進(jìn)步，電子技術(shù)隨之得到了飛躍的發(fā)展，應(yīng)用范圍也越來越廣泛。當(dāng)今人們的日常生活與電子技術(shù)息息相關(guān)，人們對電子技術(shù)的要求也級級攀升，希望電子產(chǎn)品更方便、更快捷、更安全、更可靠、更便宜、更環(huán)保。從而給我們廣大工程人員與質(zhì)量檢測人員提出了更高的業(yè)務(wù)要求。我將根據(jù)我公公司現(xiàn)有的電子產(chǎn)品，與大家一起深入探討它們的電子技術(shù)原理。我公司是生產(chǎn)電池(電鉆電池、手機(jī)電池、DVD電池、攝錄機(jī)電池、電腦電池等)為主,其他產(chǎn)品（充電器、電子火牛等）為輔的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)鏈。技術(shù)原理分析：以下主要討論我公司電池原理，內(nèi)容分為兩大項：1 可充電電池粒特征。2 電鉆電、手機(jī)、攝錄機(jī)、筆記本電腦電池包原理。1電

2、池粒(CELL)特征：世面上常見的可充電電池粒的種類有，鎳鎘電（Ni-cd）、鎳氫電（ Ni-MH）、鋰電（Li-ion）及聚核鋰,大多數(shù)二次電池包(BATTERY)都是由他們組成。1.1鎳鎘電池粒：典型的堿性二次電池，正極是由氫氧化鎳構(gòu)成，負(fù)極是由鎘構(gòu)成，內(nèi)部注了堿性電解液。有記憶效應(yīng)。含鎘、汞，屬于非環(huán)保電池。1.1.1 電氣特性：標(biāo)稱電壓1.2V，容量范圍：100-7000mAh；充電最高電壓1.8V，放電截止電壓0.6V；充電溫度范圍：0-45 放電電溫度范圍：-20-65，儲藏溫度范圍：-20-65；充電-V：10mV-20mV，充電T/t：1-2/min，充放循環(huán)次數(shù)：500次。

3、chargeNi(OH)2-e- NiOOH+H+ discharge1.1.2電氣的化學(xué)特性：正極： chargeCdO+H2O+2e- Cd+OH- discharge 負(fù)極：1.2鎳氫電池粒：正極是由氫氧化鎳構(gòu)成，負(fù)極是由吸氫合金構(gòu)成，內(nèi)部注了堿性電解液。他比同比容的鎳鎘電池粒（Ni-cd）的能量大約大兩倍。因為他不含鎘、汞，人們稱他為環(huán)?；瘜W(xué)電源。有記憶效應(yīng)。（比容：相同體積的電池容量）1.2.1 電氣特性：標(biāo)稱電壓1.2V，容量范圍：100-6000mAh；充電最高電壓1.8V，放電截止電壓0.8V；充電溫度范圍：0-45 放電溫度范圍：-20-65，儲藏溫度范圍：-20-65；充電

4、-V：5mV-10mV，充電T/t：1-2/min，充放循環(huán)次數(shù)：500-600次。 chargeNi(OH)2-e- NiOOH+H+ discharge1.2.2電氣的化學(xué)特性：正極： chargeM+H2O+e- MH+OH- discharge 負(fù)極：1.3鋰離子電池粒：正極是由二氧化鈷鋰構(gòu)成，負(fù)極是由高結(jié)晶碳構(gòu)成，內(nèi)部注了有機(jī)電解液。他比同比容的鎳氫電池粒（Ni-HM）的能量大約大1-2倍。屬于高能化學(xué)電池。無記憶效應(yīng)。1.3.1 電氣特性：標(biāo)稱電壓3.6V-3.7V，容量范圍：100-2400mAh；充電最高電壓4.27V-4.4V，充電方式：CC/CV（1C/4.2V），放電截止

5、電壓2.0V-3.0V；充電溫度范圍：0-45 放電溫度范圍：-20-60，儲藏溫度范圍：-20-45；充放循環(huán)次數(shù)：大于500-800次。無記憶效應(yīng)。 chargeLiCoO2 Li1-xCoO2+xLi+xe- discharge chargeNi(OH)2-e- NiOOH+H+ discharge1.3.2電氣的化學(xué)特性：正極： chargeC+xLi+xe- CLix discharge 負(fù)極：2電鉆電、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)及攝錄機(jī)、筆記本電腦電池包電路原理：這些產(chǎn)品之核心組成當(dāng)然離不開上述的電池粒。因為電池粒是一種化學(xué)電源，在使用的過程中容易出現(xiàn)電解液發(fā)生泄露、電池粒發(fā)熱、爆炸。為了確保

6、消費者的人身及財產(chǎn)安全，生產(chǎn)廠家必須在電池包的設(shè)計過程中考慮增加防止電解液泄露、發(fā)熱、爆炸的保護(hù)裝置。 所以除了在電池粒的設(shè)計時增設(shè)物理結(jié)構(gòu)保護(hù)裝置，還要在各種電池包內(nèi)增設(shè)電氣保護(hù)裝置。2.1 電鉆電池：他的電氣結(jié)構(gòu)簡單，屬于低端產(chǎn)品，價廉，大多數(shù)的電鉆電設(shè)計都是采用鎳鎘電池粒（Ni-cd）或鎳氫電池粒（ Ni-MH），附加充電保護(hù)電路，如增設(shè)溫度開關(guān)（Thermal Protector）、NTC。 圖一 典型電鉆電原理圖2.1.1 電路原理：圖一是典型的電鉆電池原理圖，主要回路分為兩路，分別是放電與充電回路，由cell1+ DISCHARGE+ 電鉆負(fù)載VSS cell6- cell2+ c

7、ell1- 組成放電回路；由充電器正 CHARGE+ TP1 R1 cell1+ cell2- cell6 VSS組成充電回路。另外由R1、D1構(gòu)成充電指示電路，在R1上的壓降必須大于D1發(fā)光二極管的點燃電壓1.8V根據(jù)V=IR公式，充電電流如大于0.72AD1點亮，否則D1不亮。R3充電溫度檢測電路，在電池溫度上升時R3阻值變小，充電器根據(jù)R3的阻值，控制充電狀態(tài)。2.1.2元件設(shè)計選用：電鉆電池滿充檢測，目前有三種最有效的方式，第一種是在充電過程中監(jiān)測-V。第二種是在充電過程中監(jiān)測T/t。以上兩種滿充條件判別都是由單片機(jī)來完成，電池包內(nèi)的溫度開關(guān)TP1、NTC R3只是作為充電過熱保護(hù)，溫

8、度開關(guān)的動作溫度可選在60-70之間。第三種是在充電過程中監(jiān)測上限溫度T，滿充條件判別僅僅是依賴溫度開關(guān)TP1，所以此溫度開關(guān)的動作溫度可選在45，動作溫度誤差可選在+5。因為電鉆的啟動及堵轉(zhuǎn)電流很大，啟動電流在10A-50A之間，堵轉(zhuǎn)電流在50A-100A的范圍內(nèi)，所以放電回路無法設(shè)置保護(hù)裝置，但是連接電池粒之間的鎳片之連續(xù)承受電流應(yīng)大于100A，瞬間承受電流應(yīng)大于200A。2.2手機(jī)電池：世面上的手機(jī)電池包有兩類，一類鎳氫電池包（Ni-MH），輸出電壓范圍2.4V、3.6V、4.8V、6.0V、7.2V，電氣原理雷同電鉆電，本小節(jié)不再討論；另一類由鋰離子電池粒（Li-ion）組成鋰電池包，

9、輸出電壓范圍3.6V、7.2V，早期可見到7.2V電池包，目前3.6V電池包居多。電氣原理增設(shè)了電池電壓、放電電流等保護(hù)功能。 圖二 典型手機(jī)鋰電線路2.2.1 手機(jī)鋰電原理：圖二是典型的手機(jī)鋰電池保護(hù)線路，他的主要電壓保護(hù)功能由理光保護(hù)IC U1 R5426N來完成，保護(hù)功能包含，過充電壓4.35V+0.05,過充恢復(fù)電壓4.15V+0.05V、過放保護(hù)電壓 2.50V+0.05V，過放恢復(fù)電壓3.0V+0.05。在正常（電池電壓在2.5V-4.35V之間）情況下，U2-A與U2-B都是導(dǎo)通。在充電過程中，電池電壓升到4.35+0.05V時，U1Pin3輸出低電平，U2-A MOSFET關(guān)閉

10、，此時充電回路關(guān)閉，只能放電，在電池電壓未退回到過充恢復(fù)電壓4.15V+0.05V之前、放電電流回路只有經(jīng)過U2-A上的二極管。一旦電池電壓退回到過充恢復(fù)電壓4.15V+0.05V，U2-A又重新導(dǎo)通，充放電恢復(fù)正常。在放電過程中，當(dāng)電池放至2.50V+0.05V時，U1Pin1輸出低電平，U2-B MOSFET關(guān)閉，此時終止放電回路關(guān)閉，只能充電，在電池電壓未升回到過放恢復(fù)電壓3.0V+0.05V之前、充電電流回路只有經(jīng)過U2-B上的二極管。一旦電池電壓退回到過放恢復(fù)電壓3.0V+0.05V，U2-B又重新導(dǎo)通，充放電恢復(fù)正常。 電流保護(hù)功能共有三重，第一重是由U1的P in2檢測放電過程中

11、U2-A和U2-B的壓降VCS，VCS=IDIS*RU2ON根據(jù)公式，已知RU2ON為40m、VCS為0.2V，即當(dāng)放電電流達(dá)到5.0A時，放電回路之U2-A關(guān)閉。第二重保護(hù)是PTC LRD260，保護(hù)IC過流檢測失效，放電電流達(dá)到5.2A（環(huán)境溫度在25）PTC在放電回路上的阻抗翻轉(zhuǎn)從0.03增大到數(shù)千歐姆，從而減小電流，另外在充電回路中如環(huán)境在25，電流達(dá)到5.2A，PTC阻抗也會翻轉(zhuǎn)，如電池包內(nèi)溫度到40，充放電流達(dá)到3.8A，PTC阻抗就會翻轉(zhuǎn)，從而達(dá)到抑制電流過大的目的。第三重保護(hù)電流保險絲F1 3.0A，當(dāng)前兩種電流保護(hù)都失效，在充放電回路上電流達(dá)到6.0A，保險絲在三秒以內(nèi)熔斷。

12、R3 10K NTC在上節(jié)已經(jīng)談到過，NTC只是在充電過程中監(jiān)測電池溫度，從而控制充電狀態(tài)。R4 5.1K電阻作用：所有手機(jī)電池，顯示電池剩余容量都是監(jiān)測電池電壓，適應(yīng)同型號手機(jī)的電池，區(qū)分厚薄電池，手機(jī)設(shè)計中便增加了一個識別口，用R4的阻值區(qū)分厚薄電（諾基亞、三星、愛立信公司慣用）。U3的作用：只有摩托羅拉公司常采用DS2502 IC給電池加密，及區(qū)分電池種類、電池容量。2.2.2元件設(shè)計選用：電池粒的選擇，根據(jù)原公司手機(jī)或原公司電池包選擇電池的尺寸、容量、電壓等，選定電池粒型號后，根據(jù)電池粒規(guī)格書要求及手機(jī)最大用電電流，確定電池保護(hù)電壓、過保護(hù)電流、過熱保護(hù)溫度，選定保護(hù)IC及MOSFET

13、。電壓保護(hù)誤差一般要求+0.05V，過流保護(hù)一定要大于最大正常工作電流的兩倍，并確保在任何條件下短路電池粒不得引起電池爆炸及燃燒。鋰電池在充電時溫度不得超過45，放電時電池溫度不得超過60。2.3數(shù)碼相機(jī)及攝錄機(jī)電池：分為智能電池與非智能電池兩種，早期的非智能電池都采用鎳鎘（Ni-cd）電池粒、鎳氫（Ni-MH）電池粒作為電池芯，其電池包電路原理雷同電鉆電池，在此不再討論，當(dāng)前大多數(shù)的非智能電池與智能電池都采用鋰電，兩串多并，標(biāo)稱電壓7.2V或7.4V，鋰電池保護(hù)功能跟手機(jī)鋰電池保護(hù)功能一樣。另外智能電池（也叫聰明電）增加了電池電源管理功能。圖三 典型智能數(shù)碼相機(jī)及攝錄機(jī)電池原理圖2.3.1

14、智能數(shù)碼相機(jī)及攝錄機(jī)鋰電原理：圖三是典型智能數(shù)碼相機(jī)及攝錄機(jī)電池原理圖，共分為兩部分，第一部是電池保護(hù)電路，分別由保護(hù)IC U3 8232ALFT、MOSFET U4 TPC8210、PTC LRD260、保險絲F1 5.0AFUSE、電容C1，C2，C6，C8 、電阻R4、R5構(gòu)成保護(hù)電路網(wǎng)絡(luò)。這部分工作原與手機(jī)鋰電原理相同，在此我們不需要再討論。第二部分是電池信息管理電路，分別由U5、C3、C4電容組成穩(wěn)壓電路；穩(wěn)壓輸出4.0V，由U1 MCU、X1晶振、R6、R1、R2、R3、C7、C9、D1、Q1組成通信電路；由U2、R19、R10、C5組成聰明電池監(jiān)測電路（包含電池電壓A/D轉(zhuǎn)換、電

15、池電流A/D轉(zhuǎn)換、電池溫度監(jiān)測、使用時間計算等功能）。U1 AT90S2323是八位單片機(jī)，內(nèi)部寫入了與數(shù)碼相機(jī)及攝錄機(jī)能交流的通信程式。所有的SONY數(shù)碼相機(jī)及攝錄機(jī)都有特殊的一線通信協(xié)議。此通信協(xié)議SONY公司從未公開，需要工程人員長時間耐心探索。關(guān)于聰明電池監(jiān)測IC DS2438，包含七大主要部分，1 64位激光ROM，2 溫度傳感器，3 電池電壓A/D，4電池電流A/D，5 電流積累器，6流逝時間表，7 40字節(jié)非易失性使用者內(nèi)存。2.4電腦電池包：分為智能電池與非智能電池兩種，都采用多串多并的電池粒組裝方式，常見的有3S2P、4S2P、3S3P、4S3P、4S4P。使用鋰離子電池的居

16、多，目前大多數(shù)的電腦電池都是聰明電池，并都使用相同的通信協(xié)議SMBus。2.4.1電腦電池包原理：圖四是典型的電腦電池原理圖，主要功能有：1電池粒保護(hù)功能，其中過壓保護(hù)功能與其他電池包有所不同，如有雙重過壓保護(hù)， U4 S-8233BAFT組成第一重過壓保護(hù)4.225+0.025V/cell，U5 S8244AAAFN組成第二重過壓保護(hù)4.45+0.025V/cell。2 電池電源管理功能，由U6 S-873062E提供6.2V穩(wěn)壓電源，由U5 QB2060、U6 24C01共同實現(xiàn)電池SMBus通信、電池電壓、電流、溫度監(jiān)測、電池信息保存。SMBus是什么？1 SMBus的全稱是系統(tǒng)管理總線(System Management Bus)，SMBus推出時間，于1995-2-15 推出V1.0版本，如我們常用的BQ2040、1998-12