锂电池保护电路详解：R5421芯片与MOSFET应用

2026-01-13

一、锂电池保护工作原理分析

锂电池在使用过程中容易出现以下几个问题：过充、过放、过温、过流、短路及永久失效，所以在锂电池的应用中都必须加入锂电池保护电路，在锂电池保护电路中，可以应用到MOSFET的地方有三个位置：充电电路中、放电电路中及FUSE控制电路中。

锂电池保护电路原理分析如下（以锂保芯片R5421为例）：

R5421锂保芯片是通过检测保护电路当前的电压、电流、时间等参数以此来控制场效应管的开关状态，它的典型应用电路如下：

R5421芯片管脚功能描述如下：

正常情况下，电路中的Cout和Dout管脚都输出高电平，充电和放电管理电路中的MOSFET全部处于导通状态，电池可以正常进行充电和放电，下面针对过充保护和过放保护电路分析如下：

1、过充电保护电路

当检测到电池电压超过电压门限值时，Cout引脚电平从高电平切换到低电平，从而使得充电电路中的MOSFET管关闭，停止锂电池充电，并且由于MOSFET自身的体二极管的原因，电池可以通过这个体二极管对负载进行放电；另外，在检测到电池电压超过门限值到关断充电MOSFET需要一定的时间，这个时间由R5421芯片第4管脚连接的输出延时调节电容决定，这个时间不能太长也不能太短，太长容易导致保护起不了作用，太短会由于干扰的原因造成误判断。

2、过放电保护电路

电池在对外负载进行放电过程中，其电压会随着放电过程逐渐降低，当电池电压降到电池的门限值时，电池容量已经被放光，此时继续放电将造成电池永久损坏。当检测到电池电压低于门限值时，R5421的Dout引脚将由高电平变为低电平，从而使得放电电路中的MOSFET管关闭，停止电池放电，起到放电保护作用，由于MOSFET自身的体二极管的原因，充电器可以通过这个体二极管对电池进行充电。

3、过电流保护电路

由于锂电池的化学特性，电池放电电流最大不能超过2C（C=电池容量/小时），当超过这个电流值时，将引起电池永久损坏。

放电电流在经过串接的两个MOSFET时，由于MOSFET的导通阻抗，会在MOSFET两端产生一个电压，电压值为U=2*I*Rds，R5421的管脚V-对该电压进行检测，当电路回路由于其他原因导致回路电流过大，当这个电流达到V-引脚电压大于门限值时，R5421的Dout引脚将由高电平降为低电平，此时放电电路串接的MOSFET将关断，放电回路被切断，起到过电流保护作用。

4、短路保护

电池在放电过程中，如果回路中使得R5421的管脚V-检测到的电压值达到短路判定门限值时，回路将被认为短路，此时R5421的Dout引脚将快速由高电平变为低电平，使得放电回路中的MOSFET关断，放电回路被切断，起到短路保护作用。短路保护要求的时效性极高，保护时间极短。

5、过温保护

锂电池的过温保护主要是通过在电路中增加一个NTC热敏电阻实现，随着温度的升高，热敏电阻阻值会下降，当阻值下降到所设定的过温保护门限值时，MCU控制关机，起到过温保护作用。另外也有一些锂电池保护方案中采用热保险丝进行过温保护，但是由于热保险丝受外部影响比较大，容易造成误动作。另外一种过温保护是通过在回路中串接PTC/MHP可恢复保险器件进行保护，当温度急剧升高时，PTC/MHP保险器件呈现高阻状态，阻碍电池的充放电。

以上5大保护功能是锂电池保护电路中所必须的，其中过充、过放、过电流及短路保护需要用到MOSFET的参与，根据不同的应用需求，所需要的MOSFET Vd/Id也不同，在后面的部分会总结一下我们公司目前应用在锂电池保护中的MOSFET。

二、锂电池保护方案比较

1、保护IC + MOSFET+保险丝

保护IC + MOSFET管组合是为了针对过充、过放、过流及短路进行保护的，FUSE是针对过温问题进行保护的，FUSE有三种：热保险丝、普通电流保险丝、慢断型电流保险丝。热保险丝可以较好地保护电池芯由于发热而导致的起火爆炸，并且成本较低。但是由于电流大小、环境温度、电路板温度及电池芯温度都容易引起热保险丝的误动作，热保险丝的不可恢复特性使得该方案应用存在一定的局限性。

普通电流保险丝成本低，但由于其不能感测电池芯的温度，电池短路时容易烧断保险丝导致电池报废，这种方案应用于低端锂电池中。

慢断型电流保险丝的动作时间长于保护IC+MOSFET管组合对过电流的保护时间，这就保证了保护IC+MOSFET管组合作为主动器件的第一级保护作用，在过流时不会触发电流保险丝的动作。此种方案对电池芯的过充保护效果不佳。

2、保护IC+MOSFET+PTC/MHP