一、 鋰電池保護工作原理分析

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

鋰電池保護電路原理分析如下（以鋰保芯片R5421為例）：

R5421鋰保芯片是通過檢測保護電路當前的電壓、電流、時間等參數(shù)以此來控制場效應管的開關狀態(tài)，它的典型應用電路如下：

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全部處于導通狀態(tài)，電池可以正常進行充電和放電，下面針對過充保護和過放保護電路分析如下：

1、過充電保護電路

當檢測到電池電壓超過電壓門限值時，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，電池可以通過這個體二極管對負載進行放電；另外，在檢測到電池電壓超過門限值到關斷充電MOSFET需要一定的時間，這個時間由R5421芯片第4管腳連接的輸出延時調(diào)節(jié)電容決定，這個時間不能太長也不能太短，太長容易導致保護起不了作用，太短會由于干擾的原因造成誤判斷。

2、過放電保護電路

電池在對外負載進行放電過程中，其電壓會隨著放電過程逐漸降低，當電池電壓降到電池的門限值時，電池容量已經(jīng)被放光，此時繼續(xù)放電將造成電池永久損壞。當檢測到電池電壓低于門限值時，R5421的Dout引腳將由高電平變?yōu)榈碗娖剑瑥亩沟梅烹婋娐分械腗OSFET管關閉，停止電池放電，起到放電保護作用，由于MOSFET自身的體二極管的原因，充電器可以通過這個體二極管對電池進行充電。

3、過電流保護電路

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

放電電流在經(jīng)過串接的兩個MOSFET時，由于MOSFET的導通阻抗，會在MOSFET兩端產(chǎn)生一個電壓，電壓值為U=2*I*Rds，R5421的管腳V-對該電壓進行檢測，當電路回路由于其他原因導致回路電流過大，當這個電流達到V-引腳電壓大于門限值時，R5421的Dout引腳將由高電平降為低電平，此時放電電路串接的MOSFET將關斷，放電回路被切斷，起到過電流保護作用。

4、短路保護

電池在放電過程中，如果回路中使得R5421的管腳V-檢測到的電壓值達到短路判定門限值時，回路將被認為短路，此時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關斷，放電回路被切斷，起到短路保護作用。短路保護要求的時效性極高，保護時間極短。

5、過溫保護

鋰電池的過溫保護主要是通過在電路中增加一個NTC熱敏電阻實現(xiàn)，隨著溫度的升高，熱敏電阻阻值會下降，當阻值下降到所設定的過溫保護門限值時，MCU控制關機，起到過溫保護作用。另外也有一些鋰電池保護方案中采用熱保險絲進行過溫保護，但是由于熱保險絲受外部影響比較大，容易造成誤動作。另外一種過溫保護是通過在回路中串接PTC/MHP可恢復保險器件進行保護，當溫度急劇升高時，PTC/MHP保險器件呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，阻礙電池的充放電。

以上5大保護功能是鋰電池保護電路中所必須的，其中過充、過放、過電流及短路保護需要用到MOSFET的參與，根據(jù)不同的應用需求，所需要的MOSFET Vd/Id也不同，在后面的部分會總結一下我們公司目前應用在鋰電池保護中的MOSFET。

二、 鋰電池保護方案比較

1、保護IC + MOSFET+保險絲

保護IC + MOSFET管組合是為了針對過充、過放、過流及短路進行保護的，F(xiàn)USE是針對過溫問題進行保護的，F(xiàn)USE有三種：熱保險絲、普通電流保險絲、慢斷型電流保險絲。熱保險絲可以較好地保護電池芯由于發(fā)熱而導致的起火爆炸，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絲的誤動作，熱保險絲的不可恢復特性使得該方案應用存在一定的局限性。

普通電流保險絲成本低，但由于其不能感測電池芯的溫度，電池短路時容易燒斷保險絲導致電池報廢，這種方案應用于低端鋰電池中。

慢斷型電流保險絲的動作時間長于保護IC+MOSFET管組合對過電流的保護時間，這就保證了保護IC+MOSFET管組合作為主動器件的第一級保護作用，在過流時不會觸發(fā)電流保險絲的動作。此種方案對電池芯的過充保護效果不佳。

2、保護IC+MOSFET+PTC/MHP

為了保證鋰電池在一級保護（保護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保護組件，使用可恢復保險器件（PTC或MHP）檢測電池芯的溫度。當溫度異常升高時，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IC+MOSFET

采用雙重主動器件保護可以提高保護組件的可靠性，降低保護組件的失效概率，但該保護在過溫保護方面不太完善。

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，如果沒有被動組件（PTC/MHP）感測電池溫度，即使雙重保護也不能防止電池的起火爆炸。

雙重保護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IC+MOSFET管+PTC/MHP保護方案更能有效地防止鋰電池的起火爆炸。這種方案應用最廣泛，性價比也最高。

三、 適用于鋰電池保護方案應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