[原创、分析与改进]改进米勒电源保护电路-基于TL431

t3486784401

【改进目的】
米勒系列的电源深受各位坛友喜爱，也包括我在内。然而前阵子新购的ML202-V3.1出了点问题，放电接近终止时出现了“打嗝”现象。
我在另一篇帖子内有详细测试与讨论： www.shoudian.org/forum.php?mod=v ... d=396772&extra=

后来经米老板本人证实，新版的问题出现在电池放电监控芯片上，经过更换芯片，解决了放电终点前后电源输出打嗝的问题。

然而在测试过程中，发现米勒电源在放电终点前存在“断电抖动”问题，断电前一刻升压灯忽明忽暗，并伴随有“哔哔哔哔”声响。
虽然后来米老板通过更换最新的监控芯片可以解决，但我认为问题的根本原因在于 上电复位电路 的负反馈效应，该复位电路
可能在极端情况下（断电前大负载，断电后路端电压明显回升）造成误复位，进而使得断电不干脆，发生抖动。

鉴于此，索性我放弃了现有电压监控芯片方案，采用 TL431 作为基准，利用带抗干扰的边沿复位，实现断电保护。

【方案设计】


1. 为了完成仿真，对电源的其他部分进行了简化。图中V1对应正常使用的18650，V2对应反接时的18650，V3对应充电电源，
D_CHG对应充电电路当中的防倒灌环节，X1为后续升压电路（负载），XSC1为监控示波器。

2. 采用TL431配合Q1实现回滞比较器，关断阈值为 Vref*(1+R3/R4)，其中 Vref=2.5V 为TL431基准，图中阈值为3V，
实际使用时可按需求适当调低，以获得更大的放电电量。Q3用于驱动回滞比较器输出，是电池的电流输出路径。
一旦回滞比较器关断（路端电压下降至3V），Q1的漏极电位降为零，将彻底锁死回滞比较器（开启阈值无穷大），
此时除非发生 “电池上电复位”、“充电复位”，否则比较器一直关断，Q3断开，实现电池过放电保护。

3. Q2、Q4为反接保护，当电池反接时（S2导通，加载V2），Q2截止，导致Q4栅极电压过低截止。
该反接保护针对充电过程亦有效，电池反接充电时，Q4的栅-源极电位差为零，确保可靠切断电流路径。
回滞比较器内各零件，在电池反压作用下，不存在损坏或漏电现象，因此可以安排在反接保护之前，
此做法是为了将Q3、Q4合并为现有电源方案的一个双NMOS芯片，如果Q3、Q4不需要合并，也可将反接保护移动到比较器之前。

4. R1、C1、D1为上电复位电路，该电路使用U1的基准电压、D1的正向降压实现一个带有约 3V 抗干扰的上升沿复位电路。
仅当路端电压的上升阶跃量超过3V时，才会触发复位。确保电池刚因过放而断开时，路端电压几百mV的阶跃量不至于引起复位，
从根本上杜绝了断电抖动的现象。电池安装上电瞬间，正常情况都会产生大于3V的阶跃量，因此可以可靠复位。

5. D2用于实现充电复位，但需要借助充电电源的输入端。充电过程中Q3栅极被强制拉至高电位，放电保护复位。

【仿真分析】


采用Multisim12.0仿真通过。其中：
红 - 正接电池电动势（V1）
绿 - 电池路端电压
蓝 - 电池输出电流
紫 - 上电复位电路触发端（>3V对应触发）

图中各个关键的切换点解释如下：

1. 闭合原理图中 S2，模拟电池反接。此段电池输出电流（蓝色）保持为零，确保不发生烧毁现象。

2. 断开原理图中 S2，模拟用户发现接错，取下电池。

3. 闭合原理图中 S1，模拟电池正接上电。上电复位电路可靠触发（紫色），此后路端电压（绿色）因为
电池输出电流（蓝色）的缘故有所下降，模拟电池正常工作。

4. 此段模拟电池工作放电，电动势、路端电压下降。

5. 路端电压下降至回滞比较器关断阈值，回滞比较器发生自锁式关断。电池输出电流切断（蓝色归零），
路端电压发生微小上跳（绿色微微上跳），上电复位电路也随路端电压产生小脉冲（紫色微微上跳），但
在3V抗干扰环节作用下，该脉冲被成功滤除，不发生抖动。

6. 闭合原理图中 S3，模拟外部USB短时间给电池充电（电流反向，故蓝色为负值），由于时间过短，
电池电动势并未明显上升，仅发生了保护复位。

7. 断开原理图中 S3，模拟短时间充电完成，可以看到电流输出（蓝色）有短暂的正向尖峰，说明短时间
的充电也可以复位保护电路，但因为路端电压（绿色）不给力，最终还是发生了过放保护，输出切断（蓝色归零）。

8. 再次闭合原理图 S3，模拟外部USB长时间给电池充电，电动势（红色）上升，充电电流缓缓下降。

9. 再次断开原理图 S3，模拟移除充电器，此时路端电压（绿色）已给力，因此可以正常输出。


【实验结论】
1. 基于TL431的过放保护电路，可以满足现有米勒系列电源对于电池反接、过放、充电的保护需求。

2. 电路在最精简的模式下，可以仅包含4个SOT23封装的零件，比现有多出若干电阻、二极管，尺寸上增量不大。

3. 用纯硬件做这个保护真蛋疼，下次尝试给出个单片机+MOS的方案，尽可能降低硬件复杂度。

tmfeng

线站位再看

miller162

研究的够深，赞一个。
电路中引入431，静态电流预计控制在多大范围内呢？
楼主一直认放电末期抖动是复位电路问题，在另一贴中我就告诉你是电压检测ic的问题，判定方法只要拆除复位电路就明了了。
楼主根据自己的喜欢去解决问题，再赞一个，实践中可以学到很多知识，一定要坚持哦！

knifesn

探究出真理呀！

5d6d8

讲解的很详细，我等要历练多久才能到达这个境界啊！

三爷

技术贴，看得不是很懂，顶了。

sola

LZ辛苦了，学习了

t3486784401

miller162 发表于 2014-6-15 19:12
研究的够深，赞一个。
电路中引入431，静态电流预计控制在多大范围内呢？
楼主一直认放电末期抖动是复位电 ...

今天测试了拆除复位电容的102，结果仍发生了断电抖动（有声响，但升压灯未闪），说明复位电路以外的因素造成了断电抖动。

看来监控芯片的问题诚如米老板所言。下次测试这个431电路是否能消除断电抖动（毕竟其设计也是替代电压检测芯片的）

关于静态电流的问题，正常有约50k的电阻接在电池两端，约有80uA；关断后VMOS的栅源电阻断电，电流下降很多，整体约30uA

L555T_007

纯理论

不考虑静态功耗，在锂电池保护场合，实用性非常低，约=0而且短路保护 过压保护，低压保护 过流保护 充电过流保护 这些锂电池保护IC的基本功能呢？

打嗝的实际原因是电池放电末期内阻大，而负载重，关断保护后电压迅速回升重新开通导致。 只能通过外部简单电路来加大洄差或锁死(需支持充电解锁)来实现

t3486784401

L555T_007 发表于 2014-6-16 09:55
纯理论

不考虑静态功耗，在锂电池保护场合，实用性非常低，约=0而且短路保护 过压保护，低压保护 过流保护 ...

只是针对米勒的电源在改进，其他部分米老板的东西我自然不能公布；

改进的这部分就是一个自锁死的放电保护，带有上电、充电复位， 再多就不适合塞进那么小的盒子里了。

lsp5454

遇到了类似问题，学习记号