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NCEPOWER新潔能推出鋰電池保護(hù)應(yīng)用原理分析及溝槽型MOSFET對(duì)應(yīng)方案~

jf_63642288 ? 來(lái)源:jf_63642288 ? 作者:jf_63642288 ? 2026-01-16 17:47 ? 次閱讀
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一、 鋰電池保護(hù)工作原理分析


鋰電池在使用過(guò)程中容易出現(xiàn)以下幾個(gè)問(wèn)題:過(guò)充、過(guò)放、過(guò)溫、過(guò)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(guò)檢測(cè)保護(hù)電路當(dāng)前的電壓、電流、時(shí)間等參數(shù)以此來(lái)控制場(chǎng)效應(yīng)管的開(kāi)關(guān)狀態(tài),它的典型應(yīng)用電路如下:

wKgZPGlqCKKAAXgcAAYI51wPk5k657.png


R5421芯片管腳功能描述如下:

wKgZPGlqCK6AJymNAAhTAYeEbOE747.png


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(duì)過(guò)充保護(hù)和過(guò)放保護(hù)電路分析如下:

1、過(guò)充電保護(hù)電路

當(dāng)檢測(cè)到電池電壓超過(guò)電壓門(mén)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(guò)這個(gè)體二極管對(duì)負(fù)載進(jìn)行放電;另外,在檢測(cè)到電池電壓超過(guò)門(mén)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(zhǎng)也不能太短,太長(zhǎng)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(guò)放電保護(hù)電路

電池在對(duì)外負(fù)載進(jìn)行放電過(guò)程中,其電壓會(huì)隨著放電過(guò)程逐漸降低,當(dāng)電池電壓降到電池的門(mén)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(cè)到電池電壓低于門(mén)限值時(shí),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(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(guò)這個(gè)體二極管對(duì)電池進(jìn)行充電。

3、過(guò)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(guò)2C(C=電池容量/小時(shí)),當(dāng)超過(guò)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(guò)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(duì)該電壓進(jìn)行檢測(cè),當(dāng)電路回路由于其他原因?qū)е禄芈冯娏鬟^(guò)大,當(dāng)這個(gè)電流達(dá)到V-引腳電壓大于門(mén)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(guò)電流保護(hù)作用。

4、短路保護(hù)

電池在放電過(guò)程中,如果回路中使得R5421的管腳V-檢測(cè)到的電壓值達(dá)到短路判定門(mén)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)榈碗娖剑沟梅烹娀芈分械腗OSFET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(guò)溫保護(hù)

鋰電池的過(guò)溫保護(hù)主要是通過(guò)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(guò)溫保護(hù)門(mén)限值時(shí),MCU控制關(guān)機(jī),起到過(guò)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(guò)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(guò)溫保護(hù)是通過(guò)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(guò)充、過(guò)放、過(guò)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(duì)過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流及短路進(jìn)行保護(hù)的,F(xiàn)USE是針對(duì)過(guò)溫問(wèn)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(cè)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(zhǎng)于保護(hù)IC+MOSFET管組合對(duì)過(guò)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(jí)保護(hù)作用,在過(guò)流時(shí)不會(huì)觸發(fā)電流保險(xiǎn)絲的動(dòng)作。此種方案對(duì)電池芯的過(guò)充保護(hù)效果不佳。

2、保護(hù)IC+MOSFET+PTC/MHP

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為了保證鋰電池在一級(jí)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(cè)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(guò)溫保護(hù)方面不太完善。

wKgZO2lqCM6AC9fkAAY5j1QhthM201.png


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(méi)有被動(dòng)組件(PTC/MHP)感測(cè)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(guò)充過(guò)放、短路等的發(fā)生概率,但是對(duì)于電池本身存在的問(wèn)題沒(méi)有效果。

基于上述幾種方案對(duì)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:

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Dual N 12-20V CSP系列:

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N 30/40V 中大功率系列:

wKgZPGlqCPWAYSZkABCKSxGjep0333.pngNCEPOWER新潔能代理分銷經(jīng)銷一級(jí)代理分銷經(jīng)銷

NCEPOWER新潔能代理分銷經(jīng)銷一級(jí)代理分銷經(jīng)銷提供方案設(shè)計(jì)~075582574660,82542001謝謝惠顧~


審核編輯 黃宇

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