熔斷器在鋰電池保護電路中的應用

鋰離子充電電池使用過(guò)程中，過(guò)充電、過(guò)放電和過(guò)電流都將會(huì )影響電池使用壽命和性能及安全，充電電池中熔斷器作為二級過(guò)流保護配合IC控制環(huán)路有效監測并防止對電池產(chǎn)生損害。

近年來(lái)隨著(zhù)移動(dòng)電器的小型化及普及，而鋰離子充電電池具有小型、重量輕、輸出電壓高、放電電壓穩定、儲存時(shí)間長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)，使得電器配套的鋰離子充電電池用量猛增。

鋰離子充電電池是鋰電池中的一種（即可充電的二次電池），在電池中放置保護線(xiàn)路，可有效的保護電池在過(guò)充、過(guò)放及過(guò)流或使用不當而損壞。熔斷器作為過(guò)流保護器件，可保護鋰離子充電電池在充電或放電過(guò)程中的大電流及短路而造成電池損害。

這里以圖1（典型鋰離子充電電池保護電路圖）為例來(lái)說(shuō)明電池保護電路及工作原理：

此保護回路由兩個(gè)MOSFET和一個(gè)控制IC外加一些阻容元件構成?？刂艻C負責監測電池電壓，并控制兩個(gè)MOSFET的柵極，MOSFET在電路中起開(kāi)關(guān)作用，分別控制著(zhù)充電回路與放電回路的導通與關(guān)斷，fuse為熔斷器起二級保護，C2為延時(shí)電容，該電路具有過(guò)充電保護、過(guò)放電保護、過(guò)電流保護與短路保護等功能。

正常工作狀態(tài)

在正常充、放電時(shí)，電路中控制IC的C0與D0腳高電平，V1、V2都導通。充電電流從Input+流入，經(jīng)熔斷器向電池充電，經(jīng)V1、V2后由Input-流出。正常放電時(shí)，電流經(jīng)Input-及V2、V1流向電池負極，其電流方向與充電電流方向相反。由于V1、V2的導通電阻Rds（ON）極小，此狀態(tài)下的消耗電流為μA級因此損耗很小。

過(guò)充電保護

電池在被充電初期為恒流充電，隨著(zhù)充電時(shí)間的延長(cháng)，電池電壓亦會(huì )上升，在此過(guò)程中當IC檢測到電池電壓達到過(guò)充電檢測電壓（該數值由控制IC決定）時(shí)，則C0腳由高電壓轉為低電壓，使控制充電的MOSFET柵極為關(guān)斷狀態(tài)，即V2由導通轉為關(guān)斷從而切斷充電回路，使充電器無(wú)法對電池進(jìn)行充電起到保護作用。過(guò)充電檢測對應于脈沖充電及由于噪聲而產(chǎn)生的誤動(dòng)作，需要設定延遲時(shí)間，延遲時(shí)間由C2決定，一般設為1s左右。

過(guò)放電保護

過(guò)放電保護是在電池電壓變低時(shí)停止對負載放電。當電池對負載放電時(shí)，其電壓亦隨放電過(guò)程而逐漸降低，當電池電壓降至過(guò)放檢測電壓以下時(shí)，其容量已經(jīng)完全放光，如果電池繼續放電，則會(huì )造成電池的永久性損壞。所以當控制IC檢測到電池電壓低于過(guò)放點(diǎn)檢測電壓時(shí)，其D0腳由高電壓轉為低電壓，使V1由導通轉為關(guān)斷從而切斷放電回路，則電池無(wú)法繼續放電起到保護作用。由于在過(guò)放檢測電壓以下時(shí)電池電壓不能再降低，因此必須要求控制IC消耗電流極小。過(guò)放電檢測對應于脈沖充電及由于噪聲而產(chǎn)生的誤動(dòng)作，需要設定的延遲時(shí)間一般為100ms左右。

過(guò)電流保護及短路保護

過(guò)電流保護是在消耗大電流時(shí)停止對負載的放電，此功能的目的在于保護電池及MOSFET，確保電池在工作狀態(tài)下的安全性。在正常放電過(guò)程時(shí)，電流經(jīng)過(guò)兩個(gè)MOSFET因為導通阻抗會(huì )在其兩端產(chǎn)生壓降，此電壓值U=I*[R1ds+R2ds]，其中把導通的V1、V2看作電阻，即R1ds和R2ds，此時(shí)若負載因某種原因導致異常使回路電流增大，當電流猛增使得電壓亦增加到控制IC決定的電壓值時(shí)，控制IC的D0腳迅速由高電壓轉為低電壓使V1關(guān)斷從而切斷放電回路，回路電流變?yōu)榱?。需要設定的延遲時(shí)間一般為13ms左右。當電壓增加到控制IC決定的電壓值時(shí)（此時(shí)IC判斷為負載短路），V1會(huì )由導通轉為關(guān)斷，其工作原理與過(guò)流保護類(lèi)似。短路保護的延遲時(shí)間一般小于7μs，如果出現意外時(shí)電流繼續增大，則熔斷器會(huì )起到過(guò)流時(shí)的二級保護，避免對電路中控制IC及MOSFET的永久性損壞。

以上詳細闡述了鋰離子充電電池保護電路的工作原理，除了控制IC和MOSFET外，電路中還有一個(gè)重要元件，就是熔斷器，它在電路中起著(zhù)二級過(guò)流保護作用，由于它的電阻很小在電路中消耗的能量可以忽略不計，所以這已經(jīng)成為很多電池廠(chǎng)商考慮將PTC聚合物（內阻過(guò)大）替換為新型疊層多元陶瓷片式熔斷器的主要原因。