绕过3.7v锂电池充电电压保护板电压和接在保护板的电压相差十伏正常

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  成组锂电池串联充电时,应保证每节电池均衡充电,否则使用过程中会影响整组电池的性能和寿命。常用的均衡充电技术有恒定分流电阻均衡充电、通断分流电阻均衡充电、平均电池电压均衡充电、开关电容均衡充电、降压型变换器均衡充电、电感均衡充电等。而现有的单节锂电池保护芯片均不含均衡充电控制功能;多节锂电池保护芯片均衡充电控制功能需要外接CPU,通过和保护芯片的串行通讯(如I2C总线)来实现,加大了保护电路的复杂程度和设计难度、降低了系统的效率和可靠性、增加了功耗。
  本文针对动力锂电池成组使用,各节锂电池均要求充电过电压、放电欠电压、过流、短路的保护,充电过程中要实现整组电池均衡充电的问题,设计了采用单节锂电池保护芯片对任意串联数的成组锂电池进行保护的含均衡充电功能的电池组保护板。仿真结果和工业生产应用证明,该保护板保护功能完善,工作稳定,性价比高,均衡充电误差小于50mV。
  锂电池组保护板均衡充电基本工作原理
  采用单节锂电池保护芯片设计的具备均衡充电能力的锂电池组保护板示意图如图1所示。其中:1为单节锂离子电池;2为充电过电压分流放电支路电阻;3为分流放电支路控制用开关器件;4为过流检测保护电阻;5为省略的锂电池保护芯片及电路连接部分;6为单节锂电池保护芯片(一般包括充电控制引脚CO,放电控制引脚DO,放电过电流及短路检测引脚VM,电池正端VDD,电池负端VSS等);7为充电过电压保护信号经光耦隔离后形成并联关系驱动主电路中充电控制用MOS管栅极;8为放电欠电压、过流、短路保护信号经光耦隔离后形成串联关系驱动主电路中放电控制用MOS管栅极;9为充电控制开关器件;10为放电控制开关器件;11为控制电路;12为主电路;13为分流放电支路。单节锂电池保护芯片数目依据锂电池组电池数目确定,串联使用,分别对所对应单节锂电池的充放电、过流、短路状态进行保护。该系统在充电保护的同时,通过保护芯片控制分流放电支路开关器件的通断实现均衡充电,该方案有别于传统的在充电器端实现均衡充电的做法,降低了锂电池组充电器设计应用的成本。
  图1 具备均衡充电能力的锂电池组保护板示意图
  当锂电池组充电时,外接电源正负极分别接电池组正负极BAT+和BAT-两端,充电电流流经电池组正极BAT+、电池组中单节锂电池1~N、放电控制开关器件、充电控制开关器件、电池组负极BAT-,电流流向如图2所示。
  图2 充电过程
  系统中控制电路部分单节锂电池保护芯片的充电过电压保护控制信号经光耦隔离后并联输出,为主电路中充电开关器件的导通提供栅极电压;如某一节或几节锂电池在充电过程中先进入过电压保护状态,则由过电压保护信号控制并联在单节锂电池正负极两端的分流放电支路放电,同时将串接在充电回路中的对应单体锂电池断离出充电回路。
  锂电池组串联充电时,忽略单节电池容量差别的影响,一般内阻较小的电池先充满。此时,相应的过电压保护信号控制分流放电支路的开关器件闭合,在原电池两端并联上一个分流电阻。根据电池的PNGV等效电路模型,此时分流支路电阻相当于先充满的单节锂电池的负载,该电池通过其放电,使电池端电压维持在充满状态附近一个极小的范围内。假设第1节锂电池先充电完成,进入过电压保护状态,则主电路及分流放电支路中电流流向如图3所示。当所有单节电池均充电进入过电压保护状态时,全部单节锂电池电压大小在误差范围内完全相等,各节保护芯片充电保护控制信号均变低,无法为主电路中的充电控制开关器件提供栅极偏压,使其关断,主回路断开,即实现均衡充电,充电过程完成。
  图3 分流均衡过程
  当电池组放电时,外接负载分别接电池组正负极BAT+和BAT-两端,放电电流流经电池组负极BAT-、充电控制开关器件、放电控制开关器件、电池组中单节锂电池N~1和电池组正极BAT+,电流流向如图4所示。系统中控制电路部分单节锂电池保护芯片的放电欠电压保护、过流和短路保护控制信号经光耦隔离后串联输出,为主电路中放电开关器件的导通提供栅极电压;一旦电池组在放电过程中遇到单节锂电池欠电压或者过流和短路等特殊情况,对应的单节锂电池放电保护控制信号变低,无法为主电路中的放电控制开关器件提供栅极偏压,使其关断,主回路断开,即结束放电使用过程。
  图4 放电过程
  一般锂电池采用恒流-恒压(TAPER)型充电控制,恒压充电时,充电电流近似指数规律减小。系统中充放电主回路的开关器件可根据外部电路要求满足的最大工作电流和工作电压选型。
  控制电路的单节锂电池保护芯片可根据待保护的单节锂电池的电压等级、保护延迟时间等选型。
  单节电池两端并接的放电支路电阻可根据锂电池充电器的充电电压大小以及锂电池的参数和放电电流的大小计算得出。均衡电流应合理选择,如果太小,均衡效果不明显;如果太大,系统的能量损耗大,均衡效率低,对锂电池组热管理要求高,一般电流大小可设计在50~100mA之间。
  分流放电支路电阻可采用功率电阻或电阻网络实现。这里采用电阻网络实现分流放电支路电阻较为合理,可以有效消除电阻偏差的影响,此外,还能起到降低热功耗的作用。
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锂电池保护板原理
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 锂电池保护板原理
&&&&&&&& 锂电池(可充型)之所以需要保护,是由它本身特性决定的。由于锂电池本身的材料决定了它不能被过充、过放、过流、短路及超高温充放电,因此锂电池锂电组件总会跟着一块精致的保护板和一片电流保险器出现。
&&&&&& 锂电池的保护功能通常由保护电路板和PTC等电流器件协同完成,保护板是由电子电路组成,在-40℃至+85℃的环境下时刻准确的监视电芯的电压和充放回路的电流,及时控制电流回路的通断;PTC在高温环境下防止电池发生恶劣的损坏。
&&&&&& 普通锂电池保护板通常包括控制IC、MOS开关、电阻、电容及辅助器件FUSE、PTC、NTC、ID、存储器等。其中控制IC,在一切正常的情况下控制MOS开关导通,使电芯与外电路导通,而当电芯电压或回路电流超过规定值时,它立刻控制MOS开关关断,保护电芯的安全。
&&&&& 在保护板正常的情况下,Vdd为高电平,Vss,VM为低电平,DO、CO为高电平,当Vdd,Vss,VM任何一项参数变换时,DO或CO端的电平将发生变化。
1、过充电检出电压:在通常状态下,Vdd逐渐提升至CO端由高电平 变为低电平时VDD-VSS间电压。
&2、过充电解除电压:在充电状态下,Vdd逐渐降低至CO端由低电平 变为高电平时VDD-VSS间电压。
3、过放电检出电压:通常状态下,Vdd逐渐降低至D O端由高电平& 变为低电平时VDD- VSS间电压。
&4、过放电解除电压:在过放电状态下,Vdd逐渐上升到DO端由低电平 变为高电平时 VDD-VSS间电压 。
5、过电流1检出电压:在通常状态下,VM逐渐升至DO由高电平 变为低电平时VM-VSS间电压。
&6、过电流2检出电压:在通常状态下,VM从OV起以1ms以上4ms以下的速度升到 DO端由高电平变为低电平时VM-VSS间电压。
7、负载短路检出电压:在通常状态下,VM以OV起以1μS以上50μS以下的速度升至DO端由高电平变为低电平时VM-VSS间电压。
&8、充电器检出电压:在过放电状态下,VM以OV逐渐下降至DO由低电平变为变为高电平时VM-VSS间电压。
&9、通常工作时消耗电流:在通常状态下,流以VDD端子的电流(IDD)即为通常工作时消耗电流。
&& 10、过放电消耗电流:在放电状态下,流经VDD端子的电流(IDD)即为过流放电消耗电流。
1、通常状态:电池电压在过放电检出电压以上(2.75V以上),过充电检出电压以下(4.3V以下),VM端子的电压在充电器检出电压以上,在过电流/检出电压以下(OV)的情况下,IC通过监视连接在VDD-VSS间的电压差及VM-VSS间的电压差而控制MOS管,DO、CO端都为高电平,MOS管处导通状态,这时可以自由的充电和放电;
当电池被充电使电压超过设定值VC(4.25-4.35V)后,VD1翻转使Cout变为低电平,T1截止,充电停止,当电池电压回落至VCR(3.8-4.1V)时,Cout变为高电平,T1导通充电继续, VCR小于VC一个定值,以防止电流频繁跳变。
当电池电压因放电而降低至设定值VD(2.3-2.5V)时, VD2翻转,以IC内部固定的短时间延时后,使Dout变为低电平,T2截止,放电停止。
当电路放电电流超过设定值或输出被短路时,过流、短路检测电路动作,使MOS管(T2)关断,电流截止。
该保护回路由两个MOSFET(T1、T2)和一个控制IC(N1)外加一些阻容元件构成。控制
IC负责监测电池电压与回路电流,并控制两个MOSFET的栅极,MOSFET在电路中起开关作用,分别控
制着充电回路与放电回路的导通与关断,C2为延时电容,该电路具有过充电保护、过放电保护、过电流保
护与短路保护功能,其工作原理分析如下:
1、正常状态
在正常状态下电路中N1的“CO”与“DO”脚都输出高电压,两个MOSFET都处于导通状态,电池可以自由地进行充电和放电,由于MOSFET的导通阻抗很小,通常小于30毫欧,因此其导通电阻对电路的性能影响很小。
此状态下保护电路的消耗电流为μA级,通常小于7μA。
2、过充电保护
锂离子电池要求的充电方式为恒流/恒压,在充电初期,为恒流充电,随着充电过程,电压会上升到4.2V(根据正极材料不同,有的电池要求恒压值为4.1V),转为恒压充电,直至电流越来越小。
电池在被充电过程中,如果充电器电路失去控制,会使电池电压超过4.2V后继续恒流充电,此时电池电压仍会继续上升,当电池电压被充电至超过4.3V时,电池的化学副反应将加剧,会导致电池损坏或出现安全问题。
在带有保护电路的电池中,当控制IC检测到电池电压达到4.28V(该值由控制IC决定,不同的IC有不同的值)时,其“CO”脚将由高电压转变为零电压,使T1由导通转为关断,从而切断了充电回路,使充电器无法再对电池进行充电,起到过充电保护作用。而此时由于T1自带的体二极管VD1的存在,电池可以通过该二极管对外部负载进行放电。
在控制IC检测到电池电压超过4.28V至发出关断T1信号之间,还有一段延时时间,该延时时间的长短由C2决定,通常设为1秒左右,以避免因干扰而造成误判断。
3、过放电保护
电池在对外部负载放电过程中,其电压会随着放电过程逐渐降低,当电池电压降至2.5V时,其容量已被完全放光,此时如果让电池继续对负载放电,将造成电池的永久性损坏。
在电池放电过程中,当控制IC检测到电池电压低于2.3V(该值由控制IC决定,不同的IC有不同的值)时,其“DO”脚将由高电压转变为零电压,使T2由导通转为关断,从而切断了放电回路,使电池无法再对负载进行放电,起到过放电保护作用。而此时由于T2自带的体二极管VD2的存在,充电器可以通过该二极管对电池进行充电。
由于在过放电保护状态下电池电压不能再降低,因此要求保护电路的消耗电流极小,此时控制IC会进入低功耗状态,整个保护电路耗电会小于0.1μA。 在控制IC检测到电池电压低于2.3V至发出关断T2信号之间,也有一段延时时间,该延时时间的长短由C2决定,通常设为100毫秒左右,以避免因干扰而造成误判断。
4、过电流保护
由于锂离子电池的化学特性,电池生产厂家规定了其放电电流最大不能超过2C(C=电池容量/小时),当电池超过2C电流放电时,将会导致电池的永久性损坏或出现安全问题。
电池在对负载正常放电过程中,放电电流在经过串联的2个MOSFET时,由于MOSFET的导通阻抗,会在其两端产生一个电压,该电压值U=I*RDS*2, RDS为单个MOSFET导通阻抗,控制IC上的“V-”脚对该电压值进行检测,若负载因某种原因导致异常,使回路电流增大,当回路电流大到使U&0.1V(该值由控制IC决定,不同的IC有不同的值)时,其“DO”脚将由高电压转变为零电压,使T2由导通转为关断,从而切断了放电回路,使回路中电流为零,起到过电流保护作用。
在控制IC检测到过电流发生至发出关断T2信号之间,也有一段延时时间,该延时时间的长短由C2决定,通常为13毫秒左右,以避免因干扰而造成误判断。
在上述控制过程中可知,其过电流检测值大小不仅取决于控制IC的控制值,还取决于MOSFET的导通阻抗,当MOSFET导通阻抗越大时,对同样的控制IC,其过电流保护值越小。
5、短路保护
电池在对负载放电过程中,若回路电流大到使U&0.9V(该值由控制IC决定,不同的IC有不同的值)时,控制IC则判断为负载短路,其“DO”脚将迅速由高电压转变为零电压,使T2由导通转为关断,从而切断放电回路,起到短路保护作用。短路保护的延时时间极短,通常小于7微秒。其工作原理与过电流保护类似,只是判断方法不同,保护延时时间也不一样。
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display: 'inlay-fix'一种多串锂电池保护板功能测试装置的制作方法
专利名称一种多串锂电池保护板功能测试装置的制作方法
技术领域本实用新型涉及多串数锂电池组保护板生产技术领域,特别涉及多串锂电池保护板功能测试装置。
背景技术目前,多串数锂电池组保护板生产工程中测试手段比较落后,一般将待测保护板、其相应的锂电池组、一定负载和充电器组成一种真实的工作环境,这种测试保护板的结果真实性很高,但锂电池组的充放电时间较长导致测试效率很低,不利于生产。现在出现一种 采用可调电源组来代替真实的锂电池组在一定程度上提高了保护板的测试效率,但是其参数设置的灵活性和设备操作的自动化水平都不高,特别是过充时间,过放时间,短路延时时间无法精确设置,不利于批量生产。
实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题是,针对现有技术的不足,提供一种技术参数设置灵活、操作简单、自动化水平高、便于批量检测的多串锂电池保护板功能测试装置。为解决上述技术问题,本实用新型的技术方案是一种多串锂电池保护板功能测试装置,包括模拟锂电池组模块、锂电池保护板、模拟电子负载、用户接口模块、控制器MCU、逻辑控制模块,所述的控制器MCU通过逻辑控制模块与模拟锂电池组模块相连接,所述的模拟锂电池组模块分别与锂电池保护板、用户接口模块相连接,所述的控制器MCU与用户接口模块连接,所述的模拟电子负载分别与锂电池保护板、控制器MCU连接。所述的模拟锂电池组模块,用于提供激励信号;所述的用户接口模块包括输入模块与显示模块,用于用户设置测试要求和观察测试结果;所述的逻辑控制模块,用于为锂电池保护板提供激励信号的延时时间;所述的控制器MCU,用于处理测试的技术参数数据并存储。所述的模拟锂电池组模块提供激励信号包括锂电池工作的正常电压信号和非正常电压信号。所述的激励信号由稳压器配合电容、电阻及可调电位器产生。 所述的模拟锂电池组模块包括锂电池保护板均衡状态检测电路和均衡电流调节电路。本实用新型采用上述结构,具有以下优点1、技术参数设置灵活;2、操作简单、自动化水平高;3、便于批量检测。
以下结合附图
和具体实施方式
对本实用新型作进一步详细的说明;图I为本实用新型的逻辑结构框图;[0015]图2为本实用新型中锂电池工作的正常电压信号产生的电路结构图;图3为本实用新型中锂电池工作的正常电压信号与非正常电压信号通过继电器切换的电路结构图;图4为本实用新型中锂电池保护板均衡状态检测电路图;图5为本实用新型中锂电池保护板充、放电状态指示电路图;在图I中,I、模拟锂电池组模块;2、锂电池保护板;3、模拟电子负载;4、用户接口模块;5、逻辑控制模块。
具体实施方式如图f图5所示一种多串锂电池保护板功能测试装置,包括模拟锂电池组模块I、锂电池保护板2、模拟电子负载3、用户接口模块4、控制器MCU、逻辑控制模块5,控制器MCU通过逻辑控制模块5与模拟锂电池组模块I相连接,模拟锂电池组模块I分别与锂电池保护板2、用户接口模块4相连接,控制器MCU与用户接口模块4连接,模拟电子负载3分别与锂电池保护板2、控制器MCU连接。模拟锂电池组模块I与模拟电子负载3连接。模拟锂电池组模块1,用于提供合适的激励信号;模拟电子负载,为测试保护板的功能提供负载环境;用户接口模块4包括输入模块与显示模块,用于用户设置测试要求和观察测试结果;逻辑控制模块5,用于为锂电池保护板提供激励信号的延时时间;控制器MCU,用于处理测试的技术参数数据并存储。为测试装置提供逻辑控制和测试技术参数的存储功能。 模拟锂电池组模块提供激励信号包括锂电池工作的正常电压信号和非正常电压信号。每一路电压信号与保护板的连接以及正常工作与非正常工作的电压信号的换接都是通过继电器的方式完成。模拟锂电池组的各种激励信号由稳压器LM317配合电容、电阻及可调电位器产生。模拟锂电池组模块包括锂电池保护板均衡状态检测电路和均衡电流调节电路。模拟负载通过B+、B_与模拟锂电池组的PACK+和PACK-相连,P-与保护板的同口输出端相连,其充放电状态的判断MCU单元的软件来判断。保护板均衡状态检测电路,包括RJ1、RJ2、RJ3、RJ4、RJA、RJC和比较器。当测试激励信号为正常电压信号时,通过锂电池组信号采样线的电流很小,比较器LM339输出为高电平,均衡状态指示灯不亮,当非正常工作电压为充电均衡电压或保护电压时,保护板的均衡功能启动,通过锂电池组信号采样线的电流会增大,从而RJC上的压降增加,比较器LM339输出为电平,均衡状态指示灯亮。均衡电流调节电路,包括RJB、+5V、GND和电压表表头I。+5V电源与锂电池组通过信号线流入电压表头的电流方向反接,通过调节RJB来平衡信号在线的微弱电流,使得表头显示为零,即没有均衡电流,提高均衡判断的精度。测试激励信号的延时时间由MCU单元软件定时器与非正常工作时的电压测试信号转接继电器联合提供给待测保护板。保护板的测试方法,步骤如下a)根据待测保护板的技术要求,编程设定各项技术参数和各种激励信号的调整;b )将待测保护板接入测试装置;c)测试装置根据编程设定参数,测试装置在软件配合下先向待测保护板发送正常测试信号,然后将第一路切换分别切换为,均衡、过充、过充释放、过放、过放解除、短路等非正常激励信号,测试结果通过用户接口显示。当第一路测试结束,将第一路信号恢复正常电压信号,同理将第二至第N路依次测试。附图2所示,模拟锂电池组模块为系统提供测试激励信号,每路电压激励信号由市电交流220V经变压器形成12V的交流电,再通过整流桥后作为LM317的输入,通过电压调整电位器R12的调节可获得相应的激励电压信号。附图3所示,激励信号与待测保护板的联接由软件通过继电器进行切换,电压激励信号分为正常信号与非正常信号,其也是由软件通过继电器切换。首先由继电器组将正常信号全部接入待测保护板,延时,观看测试结果;再将第一路正常信号由继电器切出,同时依次接入各种非正常信号,观看测试结果;依次将第二路、第三路等信号接入;观察测试结果。各种测试信号的延时时间由软件根据保护板测试技术要求产生。锂电池组的均衡一般发生在过充电过程中,因此过充检测电路设置于过程非正常信号产生回路中。附图4所示,市电交流220V经变压器形成12V交流电,通过整流桥作为LM7808的输入;LM7808的输出进入均衡检测电路,通过电阻RJ1、RJ2分压在比较器的LM339的反相输入端设置比较电位,同时LM7808的输出与电压表头I的输入端相连,通过电流表头I经取样电阻进入LM317的输入端,由于LM317有输入漏电流的存在,所以在电压表头设置反相补偿电压,从表头I出来的信号同时进入比较器LM339的同向输入端,由于电阻RJ3、RJ4可调电阻RJA的存在,可以使得当流经表头I的电流较小时比较器 LM339的输出为高电平,而当保护板均衡功能开启时流经LM317的电流就会增大,从而使得LM339的同向端电位低于反相端输出为低电平,通过光耦将信号给用户。附图5所示,将待测保护板的同口输出端与模拟负载模块P-端相联,模拟负载的B+、B-分别与模拟锂电池组的PACK+、PACK-相连,分别通过MCU单元软件接通放电SI、充电S2开关,待测保护板的充放电状态可以通过用户接口面板的指示灯知道。上面结合附图对本实用新型进行了示例性描述,显然本实用新型具体实现并不受上述方式的限制,只要采用了本实用新型的方法构思和技术方案进行的各种改进,或未经改进直接应用于其它场合的,均在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.一种多串锂电池保护板功能测试装置,其特征在于包括模拟锂电池组模块(I)、锂电池保护板(2)、模拟电子负载(3)、用户接口模块(4)、控制器(MCU)、逻辑控制模块(5),所述的控制器(MCU)通过逻辑控制模块(5 )与模拟锂电池组模块(I)相连接,所述的模拟锂电池组模块(I)分别与锂电池保护板(2)、用户接口模块(4)相连接,所述的控制器(MCU)与用户接口模块(4)连接,所述的模拟电子负载(3)分别与锂电池保护板(2)、控制器(MCU)连接。
2.根据权利要求I所述的一种多串锂电池保护板功能测试装置,其特征在于所述的模拟锂电池组模块(I),用于提供激励信号;
所述的用户接口模块(4)包括输入模块与显示模块,用于用户设置测试要求和观察测试结果;
所述的逻辑控制模块(5),用于为锂电池保护板提供激励信号的延时时间;
所述的控制器(MCU),用于处理测试的技术参数数据并存储。
3.根据权利要求2所述的一种多串锂电池保护板功能测试装置,其特征在于所述的模拟锂电池组模块提供激励信号包括锂电池工作的正常电压信号和非正常电压信号。
4.根据权利要求2或3所述的一种多串锂电池保护板功能测试装置,其特征在于所述的激励信号由稳压器配合电容、电阻及可调电位器产生。
5.根据权利要求I所述的一种多串锂电池保护板功能测试装置,其特征在于所述的模拟锂电池组模块包括锂电池保护板均衡状态检测电路和均衡电流调节电路。
专利摘要本实用新型公开了一种多串锂电池保护板功能测试装置,包括模拟锂电池组模块、锂电池保护板、模拟电子负载、用户接口模块、控制器MCU、逻辑控制模块,所述的控制器MCU通过逻辑控制模块与模拟锂电池组模块相连接,所述的模拟锂电池组模块分别与锂电池保护板、用户接口模块相连接,所述的控制器MCU与用户接口模块连接,所述的模拟电子负载分别与锂电池保护板、控制器MCU连接。采用上述结构,本实用新型具有以下优点1、技术参数设置灵活;2、操作简单、自动化水平高;3、便于批量检测。
文档编号G01R31/36GKSQ
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发明者阚宏林, 肖亚平 申请人:安徽工程大学DW01锂电池保护板工作原理,最全面的DW01锂电池保护板工作原理文章 - 电子工程世界网
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