基于ICL7107的锂电池保护板漏电流测试仪 - 全文

引言

在便携式应用场合，迫切需要有容量高、体积小、重量轻的电池。目前，在一次、二次电池中，锂电池已经取代镍镉、镍氢电池得到了广泛的应用。但锂电池存在“对过充电、过放电的耐受力差”的缺点，所以，锂电池都必须配有保护电路板，对锂电池的过充电、过放电起保护作用。保护板由锂电池供电，正常耗漏电流为2μA~3μA，如果保护板的漏电流超过5μA，将引起电池存储寿命缩短，严重时可使电池损坏。因此，迫切需要一种测试仪对锂电池保护板漏电流进行检测。

本研究利用集成电路ICL7107设计锂电池保护板漏电流快速检测仪。

1、保护电路漏电流过大的危害分析

1.1、保护电路分析

锂电池保护电路原理图如图1所示。图中U1采用日本理光R5421N151F锂电池保护芯片，U2采用三洋FTD2017金属氧化物半导体管（MOST）。当锂电池在工作过程中出现过充、过放、过流、短路等异常情况时，U2作为开关器件，将迅速切断电路，以保证锂电池的安全。

图1 锂电池保护电路原理图

1.2、产生漏电流的环节

由图1可知，锂电池保护电路产生的漏电流包含以下3个环节：①电容C1产生的漏电流;②R5421N151F芯片的内部工作电流;③FTD2017金属氧化物半导体管产生的漏电流。

当电容C1产生过大的漏电流，或R5421N151F芯片异常产生过大的内部工作电流，或FTD2017晶体管G-S静电击穿，或PCB线路板铜箔因距离近引起走线短路时，保护电路将产生过大的漏电流。

1.3、漏电流过大的危害分析

从图1可知，保护板接在电池两端。当保护板自身漏电流过大时，一方面保护板本身无法对系统起有效保护作用;另一方面将使锂电池存储寿命缩短，严重时可使电池损坏。据统计，保护板漏电流过大，约占总量3‰左右。由于保护板漏电流过大具有很大的隐蔽性，一般须经3~6个月的使用后才能发觉，如锂电池的价格以20元/块、产量以10000块/天计算，将造成锂电池生产厂家每天600元的损失，一年将产生20万元的退货，并造成负面的信誉影响。

2、保护板漏电流测试原理分析

2.1、测试仪工作原理

测试仪由基准电路、测试电压电路、比较电路、数显312/微安表、报警电路等部分组成，其原理图如图2所示。

图2 保护板漏电流测试仪原理图

基准电路：R1，DW1组成2.5V的低温飘高稳定电压信号源，经R2，W1分压，得到约5mV的基准电压。基准电压加比较电路LM358的反相输入端。

测试电压电路：本测试仪按锂电池的工作电压为4.2V设计，经DW2稳压，通过调整W2获得4.2V电压，作为保护板测试电压。

保护板测试用电压通过OUT+，OUT-插座和测试表笔，加到保护板两端，保护板漏电流通过电阻R7产生一个电压降：

UR7=I漏×R7=XμA×（1×103）Ω=XmV（假设漏电流为xμA）

漏电流在电阻R7上产生的电压降，同时通过电阻R3，电容C4滤波，加在LM358的同相输入端，与5mV的基准端比较，当漏电流较大，在R7上形成的压降超过5mV，LM358的同相输入端电压超过反相输入端，输出端电位变高，驱动9013，带动蜂鸣器产生声音告警信号。

2.2、毫伏电压表设计

本研究采用以312/位A/D转换集成电路ICL7107为核心的数字毫伏电压表头，满量程输入信号为DC±199.9mV。A/D转换集成电路ICL7107与各种各样的前级电路配合，可以成为测量显示电流、电压、电阻、压力、温度等等化学量、物理量的廉价优质数字显示仪表，其高精度、高可靠、无视差、耐振动等显著优点，是传统指针仪表望尘莫及的。

表头可达到的指标有：①线性度：≤±1个字;②反极误差：≤2个字（满量程时;③输入阻抗：≥100M;④采样速率：2.5次/s;⑤溢出显示：当输入信号超出最大输入信号时，表头显示“-1xxx”或“1xxx”，（x表示消隐）;⑥供电：DC5V±10%，≤100mA。

200mV毫伏电压表工作原理图如图3所示，各引脚功能如下：

图3 毫伏电压表工作原理图

a1~g1、a2~g2、a3~g3、bc4：分别为个位、十位、百位、千位笔划的驱动信号端，依次接各显示器的对应笔划引脚;

POL：负极性指示的输出端，接千位显示器的g段;

OSC1~OSC3：时钟振荡器的引出端，外接R2、C6组成多谐振荡器，OSC3脚输出信号经CD4069反向器隔离，驱动，经C1，C2，VD1，VD2，产生约-3.6V负电压外接R2、C6组成多谐振荡器的RC网络;

VREF+、VREF-：基准电压的正、负端。VZ1产生2.5V电压，经R4，W1，R5分压，得到100mV基准电压。测量前应调整W1，使基准电压VREF=100.0mV，加到VREF+端;

IN+、IN-：模拟电压输入端，R3、C5为输入端阻容滤波电路，以提高仪表的抗干扰能力;

CREF：外接基准电容端，接C3基准电容;

CAZ：积分器和比较器的反相输入端，接自动调零电容C8;

BUF：缓冲放大器的输出端，接积分电阻R7;

INT：积分输出端，接积分电容C7;

COM：模拟信号公共端，简称“模拟地”。V+与COM之间有2.8V的稳压输出。电压测量时，应使COM与IN-、VREF-相连;

TEST：测试端，当它与V+短接后，LED显示器全部笔划点亮，显示-1888。

2.3、安装调试

（1）表头的简单判断：给表头供电端接上标准DC5V电压，信号输入端开路，这时显示数字是随机数字，用金属把表头+/-输入端短路，显示应该是“-001”~“000”~“001”，》±2个字就要检查原因了。

（2）如果上述检查合格，可以给表头输入100mV左右的DC信号电压，显示应该是100.0±2个字，如果不对，可以微调印刷板上的基准电压电位器，让显示合乎要求;最后输入反极性信号，其显示值应该与正极性输入时基本一致，不允许超出±2个字。

（3）测电路上几个重要工作点电压值，应与原理图所标接近，不应相差过多，否则应检查线路装配是否有误，短接二表棒，蜂鸣器应有报警声。

（4）取一标准电流表，进行整机精度效验，合格后方投入使用。

3、结束语

锂电池保护板漏电流测试仪在2006年初设计完成后，在杭州万马高能量电池有限公司投入使用。经过两年多的工程实践表明，该测试仪日测试量达到10000片/台以上，使用方便，能有效地对锂电池产品质量进行监控。