一、 鋰電池保護(hù)工作原理分析

鋰電池在使用過程中容易出現(xiàn)以下幾個(gè)問題：過充、過放、過溫、過流、短路及永久失效，所以在鋰電池的應(yīng)用中都必須加入鋰電池保護(hù)電路，在鋰電池保護(hù)電路中，可以應(yīng)用到MOSFET的地方有三個(gè)位置：充電電路中、放電電路中及FUSE控制電路中。

鋰電池保護(hù)電路原理分析如下（以鋰保芯片R5421為例）：

R5421鋰保芯片是通過檢測保護(hù)電路當(dāng)前的電壓、電流、時(shí)間等參數(shù)以此來控制場效應(yīng)管的開關(guān)狀態(tài)，它的典型應(yīng)用電路如下：

R5421芯片管腳功能描述如下：

正常情況下，電路中的Cout和Dout管腳都輸出高電平，充電和放電管理電路中的MOSFET全部處于導(dǎo)通狀態(tài)，電池可以正常進(jìn)行充電和放電，下面針對過充保護(hù)和過放保護(hù)電路分析如下：

1、過充電保護(hù)電路

當(dāng)檢測到電池電壓超過電壓門限值時(shí)，Cout引腳電平從高電平切換到低電平，從而使得充電電路中的MOSFET管關(guān)閉，停止鋰電池充電，并且由于MOSFET自身的體二極管的原因，電池可以通過這個(gè)體二極管對負(fù)載進(jìn)行放電；另外，在檢測到電池電壓超過門限值到關(guān)斷充電MOSFET需要一定的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間由R5421芯片第4管腳連接的輸出延時(shí)調(diào)節(jié)電容決定，這個(gè)時(shí)間不能太長也不能太短，太長容易導(dǎo)致保護(hù)起不了作用，太短會(huì)由于干擾的原因造成誤判斷。

2、過放電保護(hù)電路

電池在對外負(fù)載進(jìn)行放電過程中，其電壓會(huì)隨著放電過程逐漸降低，當(dāng)電池電壓降到電池的門限值時(shí)，電池容量已經(jīng)被放光，此時(shí)繼續(xù)放電將造成電池永久損壞。當(dāng)檢測到電池電壓低于門限值時(shí)，R5421的Dout引腳將由高電平變?yōu)榈碗娖?，從而使得放電電路中的MOSFET管關(guān)閉，停止電池放電，起到放電保護(hù)作用，由于MOSFET自身的體二極管的原因，充電器可以通過這個(gè)體二極管對電池進(jìn)行充電。

3、過電流保護(hù)電路

由于鋰電池的化學(xué)特性，電池放電電流最大不能超過2C（C=電池容量/小時(shí)），當(dāng)超過這個(gè)電流值時(shí)，將引起電池永久損壞。

放電電流在經(jīng)過串接的兩個(gè)MOSFET時(shí)，由于MOSFET的導(dǎo)通阻抗，會(huì)在MOSFET兩端產(chǎn)生一個(gè)電壓，電壓值為U=2*I*Rds，R5421的管腳V-對該電壓進(jìn)行檢測，當(dāng)電路回路由于其他原因?qū)е禄芈冯娏鬟^大，當(dāng)這個(gè)電流達(dá)到V-引腳電壓大于門限值時(shí)，R5421的Dout引腳將由高電平降為低電平，此時(shí)放電電路串接的MOSFET將關(guān)斷，放電回路被切斷，起到過電流保護(hù)作用。

4、短路保護(hù)

電池在放電過程中，如果回路中使得R5421的管腳V-檢測到的電壓值達(dá)到短路判定門限值時(shí)，回路將被認(rèn)為短路，此時(shí)R5421的Dout引腳將快速由高電平變?yōu)榈碗娖?，使得放電回路中的MOSFET關(guān)斷，放電回路被切斷，起到短路保護(hù)作用。短路保護(hù)要求的時(shí)效性極高，保護(hù)時(shí)間極短。

5、過溫保護(hù)

鋰電池的過溫保護(hù)主要是通過在電路中增加一個(gè)NTC熱敏電阻實(shí)現(xiàn)，隨著溫度的升高，熱敏電阻阻值會(huì)下降，當(dāng)阻值下降到所設(shè)定的過溫保護(hù)門限值時(shí)，MCU控制關(guān)機(jī)，起到過溫保護(hù)作用。另外也有一些鋰電池保護(hù)方案中采用熱保險(xiǎn)絲進(jìn)行過溫保護(hù)，但是由于熱保險(xiǎn)絲受外部影響比較大，容易造成誤動(dòng)作。另外一種過溫保護(hù)是通過在回路中串接PTC/MHP可恢復(fù)保險(xiǎn)器件進(jìn)行保護(hù)，當(dāng)溫度急劇升高時(shí)，PTC/MHP保險(xiǎn)器件呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，阻礙電池的充放電。

以上5大保護(hù)功能是鋰電池保護(hù)電路中所必須的，其中過充、過放、過電流及短路保護(hù)需要用到MOSFET的參與，根據(jù)不同的應(yīng)用需求，所需要的MOSFET Vd/Id也不同，在后面的部分會(huì)總結(jié)一下我們公司目前應(yīng)用在鋰電池保護(hù)中的MOSFET。

二、 鋰電池保護(hù)方案比較

1、保護(hù)IC + MOSFET+保險(xiǎn)絲

保護(hù)IC + MOSFET管組合是為了針對過充、過放、過流及短路進(jìn)行保護(hù)的，F(xiàn)USE是針對過溫問題進(jìn)行保護(hù)的，F(xiàn)USE有三種：熱保險(xiǎn)絲、普通電流保險(xiǎn)絲、慢斷型電流保險(xiǎn)絲。熱保險(xiǎn)絲可以較好地保護(hù)電池芯由于發(fā)熱而導(dǎo)致的起火爆炸，并且成本較低。但是由于電流大小、環(huán)境溫度、電路板溫度及電池芯溫度都容易引起熱保險(xiǎn)絲的誤動(dòng)作，熱保險(xiǎn)絲的不可恢復(fù)特性使得該方案應(yīng)用存在一定的局限性。

普通電流保險(xiǎn)絲成本低，但由于其不能感測電池芯的溫度，電池短路時(shí)容易燒斷保險(xiǎn)絲導(dǎo)致電池報(bào)廢，這種方案應(yīng)用于低端鋰電池中。

慢斷型電流保險(xiǎn)絲的動(dòng)作時(shí)間長于保護(hù)IC+MOSFET管組合對過電流的保護(hù)時(shí)間，這就保證了保護(hù)IC+MOSFET管組合作為主動(dòng)器件的第一級保護(hù)作用，在過流時(shí)不會(huì)觸發(fā)電流保險(xiǎn)絲的動(dòng)作。此種方案對電池芯的過充保護(hù)效果不佳。

2、保護(hù)IC+MOSFET+PTC/MHP

為了保證鋰電池在一級保護(hù)（保護(hù)IC+MOSFET管）失效的情況下能夠安全充放電，在電路中增加了一組被動(dòng)保護(hù)組件，使用可恢復(fù)保險(xiǎn)器件（PTC或MHP）檢測電池芯的溫度。當(dāng)溫度異常升高時(shí)，PTC或MHP立刻呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，阻礙電池的充放電，從而防止鋰電池起火爆炸。

3、雙保護(hù)IC+MOSFET

采用雙重主動(dòng)器件保護(hù)可以提高保護(hù)組件的可靠性，降低保護(hù)組件的失效概率，但該保護(hù)在過溫保護(hù)方面不太完善。

不論何種原因，鋰電池的起火爆炸都表現(xiàn)為電池溫度的急劇升高，如果沒有被動(dòng)組件（PTC/MHP）感測電池溫度，即使雙重保護(hù)也不能防止電池的起火爆炸。

雙重保護(hù)電路大大地降低了過充過放、短路等的發(fā)生概率，但是對于電池本身存在的問題沒有效果。

基于上述幾種方案對比，保護(hù)IC+MOSFET管+PTC/MHP保護(hù)方案更能有效地防止鋰電池的起火爆炸。這種方案應(yīng)用最廣泛，性價(jià)比也最高。

三、 適用于鋰電池保護(hù)方案應(yīng)用的新潔能溝槽型低壓MOSFET

Dual N 16-20V 塑封系列：

Dual N 12-20V CSP系列：

N 30/40V 中大功率系列：

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審核編輯 黃宇