锂电池保护电路原理
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鋰Hale Waihona Puke Baidu池保護電路工作原理
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內容
1 概述
鋰離子電池的優點 鋰離子電池使用保護電路板的原因 鋰離子電池保護電路的功能與作用
2
典型單串鋰電池保護板工作原理 典型單串鋰電池保護板工作原理 單串 正常狀態 過充電保護工作原理 過放電保護工作原理 過電流及短路保護工作原理
3
鋰离子電池保護電路主要元器件
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概述
隨著科技進步與社會發展，像手機、筆記本電腦、 隨著科技進步與社會發展，像手機、筆記本電腦、MP3播放 播放 器、PDA、掌上遊戲機、數碼攝像機等便攜式設備已越來越普及， 、掌上遊戲機、數碼攝像機等便攜式設備已越來越普及， 這類產品中有許多是採用鋰離子電池供電， 這類產品中有許多是採用鋰離子電池供電，而由於鋰離子電池的 特性與其它可充電電池不同，內部通常都帶有一塊電路板， 特性與其它可充電電池不同，內部通常都帶有一塊電路板，本文 將對鋰離子電池的特點及其保護電路工作原理進行闡述。 將對鋰離子電池的特點及其保護電路工作原理進行闡述。
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過充電保護工作原理
L
當控制IC檢測到電池電壓達到 決定， 有不同的值） 當控制 檢測到電池電壓達到4.28V（該值由控制 決定，不同的 有不同的值）時， 檢測到電池電壓達到 （該值由控制IC決定 不同的IC有不同的值 腳將由高電壓轉變為零電壓， 由導通轉為關斷， 其“CO”腳將由高電壓轉變為零電壓，使Q2由導通轉為關斷，從而切斷了充電回路，使 腳將由高電壓轉變為零電壓 由導通轉為關斷 從而切斷了充電回路， 充電器無法再對電池進行充電，起到過充電保護作用。而此時由於Q2自帶的體二極體 充電器無法再對電池進行充電，起到過充電保護作用。而此時由於 自帶的體二極體 VD2的存在，電池可以透過該二極體對外部負載進行放電。 的存在， 的存在 電池可以透過該二極體對外部負載進行放電。 在控制IC檢測到電池電壓超過 檢測到電池電壓超過4.28V至發出關斷 信號之間，還有一段延時時間，以避 至發出關斷V2信號之間 在控制 檢測到電池電壓超過 至發出關斷 信號之間，還有一段延時時間， 免因干擾而造成誤判斷。 免因干擾而造成誤判斷。
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鋰離子電池使用保護電路板的原因
在充電過程中，如果過充，由於電解液的分解會產生氣體， 在充電過程中，如果過充，由於電解液的分解會產生氣體， 使其內部壓力上升，以及金屬鋰的釋出而造成有起火及破裂。 使其內部壓力上升，以及金屬鋰的釋出而造成有起火及破裂。 單個電池在約1.5V以下的過放電狀態，負極集電體的銅開 以下的過放電狀態， 單個電池在約 以下的過放電狀態 始溶於電解液，電池性能下降。 始溶於電解液，電池性能下降。 放電過程中的大電流及短路容易造成電池的損壞 由於誤使用造成過充或過放， 由於誤使用造成過充或過放，電池溫度上升 為防止電池在以上幾個方面出現問題， 為防止電池在以上幾個方面出現問題，需要給電池加裝 保護板，對電池的充、放電狀態進行有效監控， 保護板，對電池的充、放電狀態進行有效監控，防止使用中 對電池產生各種損害。 對電池產生各種損害。
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過放電保護工作原理
PTC/Fuse
IC
L H H
當控制IC檢測到電池電壓低於 決定， 有不同的值） 當控制 檢測到電池電壓低於2.3V（該值由控制 決定，不同的 有不同的值）時， 檢測到電池電壓低於 （該值由控制IC決定 不同的IC有不同的值 腳將由高電壓轉變為零電壓， 由導通轉為關斷， 其“DO”腳將由高電壓轉變為零電壓，使Q1由導通轉為關斷，從而切斷了放電回路，使 腳將由高電壓轉變為零電壓 由導通轉為關斷 從而切斷了放電回路， 電池無法再對負載進行放電，起到過放電保護作用。而此時由於Q1自帶的體二極 自帶的體二極VD1的 電池無法再對負載進行放電，起到過放電保護作用。而此時由於 自帶的體二極 的 存在， 可以通過該二極體對電池進行充 通過該二極體對電池進行 存在，充電器可以通過該二極體對電池進行充電。 在控制IC檢測到電池電壓低於 檢測到電池電壓低於2.3V至發出關斷 信號之間，也有一段延時時間，該延 至發出關斷V1信號之間 在控制 檢測到電池電壓低於 至發出關斷 信號之間，也有一段延時時間， 時時間的長短由C3決定 通常設為100毫秒左右，以避免因干擾而造成誤判斷。 決定， 毫秒左右， 時時間的長短由 決定，通常設為 毫秒左右 以避免因干擾而造成誤判斷。
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典型單串鋰電池保護板工作原理 典型單串鋰電池保護板工作原理 單串
PTC/Fuse
IC
NTC/ ID R MOSFET
必需 IC MOSFET（Q1、Q2） PTC／ Fuse 非必需 NTC ID R 監測電池電壓， 監測電池電壓，並控制兩個MOSFET的閘極 在電路中起開關作用， MOSFET在電路中起開關作用，控制著充電回路與放電回路的導通與關斷 正比例系數溫度保險絲，實現二次保護， 正比例系數溫度保險絲，實現二次保護，防止IC失效電池短路 反比例系數溫度保險絲， 反比例系數溫度保險絲，用NTC阻值反映電池溫度 阻值反映電池溫度 識別電阻 用于手機開機時識別電池
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鋰離子電池保護電路的功能與作用
功能 保護電池 防止電池爆炸 防止過充電，過放電， 防止過充電，過放電，電流過大 電芯的電壓均衡 與用電設備更好的匹配 作用 防止過充電︰防止電池的特性劣化、起火及破裂， 防止過充電︰防止電池的特性劣化、起火及破裂，確保安全性 防止過放電︰防止電池特性劣化， 防止過放電︰防止電池特性劣化，確保電池的使用壽命 防止過電流︰防止 的破壞， 防止過電流︰防止FET的破壞，短路保護及確保搬運時的安全性 的破壞
MOSFET，它在電 MOSFET，它在電 路中起著開關的作 用，由於它直接串 接在電池與外部負 載之間，因此它的 導通阻抗對電池的 性能有影響，當選 用的MOSFET較好 用的MOSFET較好 時，其導通阻抗很 小，電池包的內阻 就小，帶載能力也 強，在放電時其消 耗的電能也少。
熔斷器在電路中起 著二級過流保護作 用，由於它的電阻 很小在電路中消耗 的能量可以忽略不 計，一旦超過閾值 電流或閾值溫度， 器件內部熔斷而起 到保護作用( 到保護作用(該保護 元件串聯在電池電 路中) 路中)。當故障排除 或斷開電路時，它 不具有恢自複作用 (即在故障排除後無 法回到低阻抗) 法回到低阻抗)。
自複式條狀保護元 件，專門用於鋰離 子電池作過流或過 熱保護。它在正常 溫度時自身電阻極 低(如VLR230的阻 VLR230的阻 值為0.015 值為0.015 )，一 旦有短路及過充或 過放情況發生時， 其電阻會急劇升高 從而起到保護作用。 當故障排除或斷開 電路時，它有自複 作用( 作用(即回到低阻 抗）。
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鋰离子電池保護電路主要元器件
IC
MOSFET
Fuse
PTC
上面電路中所用的 控制IC為 控制IC為MITSUMI 的M3177系列，在 M3177系列，在 實際的電池保護電 路中，還有許多其 它類型的控制IC， 它類型的控制IC， 其工作原理大同小 異，只是在具體參 數上有所差別，有 些控制IC為了節省 些控制IC為了節省 外圍電路，將濾波 電容、延時電容、 MOSFET做到了晶 MOSFET做到了晶 片內部，其外圍電 路可以很少。
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鋰離子電池的優點
Polymer Cylindrical
Prismatic Power
與鎳鎘和鎳氫電池相比，鋰離子電池具備以下幾個優點︰ 與鎳鎘和鎳氫電池相比，鋰離子電池具備以下幾個優點︰ 電壓高，單節鋰離子電池的電壓可達到3.6V，遠高於鎳鎘和鎳氫 電壓高，單節鋰離子電池的電壓可達到 ， 電池的1.2V電壓。 電壓。 電池的 電壓 容量密度大，其容量密度是鎳氫電池或鎳鎘電池的1.5-2.5倍。 容量密度大，其容量密度是鎳氫電池或鎳鎘電池的 倍 荷電保持能力強（即自放電小）， ），在放置很長時間後其容量損失也 荷電保持能力強（即自放電小），在放置很長時間後其容量損失也 很小。 很小。 壽命長，正常使用其循環壽命可達到500次以上。 次以上。 壽命長，正常使用其循環壽命可達到 次以上 沒有記憶效應，在充電前不必將剩餘電量放空，使用方便。 沒有記憶效應，在充電前不必將剩餘電量放空，使用方便。 不含汞、 鋁等公害物質， 不含汞、鎘、鋁等公害物質，屬環保產品
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過電流及短路保護工作原理
PTC/Fuse
IC
L H H
>0.1V
電池在對負載正常放電過程中，放電電流在經過串聯的 個 的導通阻抗， 電池在對負載正常放電過程中，放電電流在經過串聯的2個MOSFET時，由於 時 由於MOSFET的導通阻抗，會在其兩端產生一個電壓，該 的導通阻抗 會在其兩端產生一個電壓， 電壓值U=I*RDS*2 (RDS為單個 為單個MOSFET導通阻抗 ，控制 上的“V-”腳對該電壓值進行檢測，若負載因某種原因導致異常，使回路 導通阻抗)， 上的“ 腳對該電壓值進行檢測 若負載因某種原因導致異常， 腳對該電壓值進行檢測， 電壓值 為單個 導通阻抗 控制IC上的 電流增大，當回路電流大到使U>0.1V（該值由控制 決定，不同的 有不同的值）時，其“DO”腳將由高電壓轉變為零電壓，使V1 決定， 有不同的值） 腳將由高電壓轉變為零電壓， 電流增大，當回路電流大到使 （該值由控制IC決定 不同的IC有不同的值 腳將由高電壓轉變為零電壓 由導通轉為關斷，從而切斷了放電回路，使回路中電流為零，起到過電流保護作用。 由導通轉為關斷，從而切斷了放電回路，使回路中電流為零，起到過電流保護作用。 在上述控制過程中可知，其過電流檢測值大小不僅取決於控制IC的控制值 還取決於MOSFET的導通阻抗，當MOSFET導通阻抗 的控制值， 的導通阻抗， 在上述控制過程中可知，其過電流檢測值大小不僅取決於控制 的控制值，還取決於 的導通阻抗 導通阻抗 越大時，對同樣的控制IC，其過電流保護值越小。 越大時，對同樣的控制 ，其過電流保護值越小。 在控制IC检测到过电流发生至发出关断 信号之间，有一段延时时间，该延时时间的长短由C3决定 通常为13毫秒左右 检测到过电流发生至发出关断V1信号之间 决定， 毫秒左右， 在控制 检测到过电流发生至发出关断 信号之间，有一段延时时间，该延时时间的长短由 决定，通常为 毫秒左右，以避免 因干扰而造成误判断。 因干扰而造成误判断。 短路保護的延時時間極短，通常小於7微秒 其工作原理與過電流保護類似，只是判斷方法不同，保護延時時間也不一樣。 微秒。 短路保護的延時時間極短，通常小於 微秒。其工作原理與過電流保護類似，只是判斷方法不同，保護延時時間也不一樣。
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正常狀態
H
H
正常狀態下，保護晶片的 腳都輸出高電壓， 正常狀態下，保護晶片的CO與DO腳都輸出高電壓，兩個 與 腳都輸出高電壓 兩個MOSFET都處於 都處於 導通狀態，電池可以自由地進行充電和放電，由於MOSFET的導通電阻很 導通狀態，電池可以自由地進行充電和放電，由於 的導通電阻很 小，通常小於30毫歐，因此其導通電阻對電路的性能影響很小。 通常小於 毫歐，因此其導通電阻對電路的性能影響很小。 毫歐 在正常狀態下保護電路的消耗電流為µA級 通常小於7µA。 在正常狀態下保護電路的消耗電流為 級，通常小於 。
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內容
1 概述
鋰離子電池的優點 鋰離子電池使用保護電路板的原因 鋰離子電池保護電路的功能與作用
2
典型單串鋰電池保護板工作原理 典型單串鋰電池保護板工作原理 單串 正常狀態 過充電保護工作原理 過放電保護工作原理 過電流及短路保護工作原理
3
鋰离子電池保護電路主要元器件
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概述
隨著科技進步與社會發展，像手機、筆記本電腦、 隨著科技進步與社會發展，像手機、筆記本電腦、MP3播放 播放 器、PDA、掌上遊戲機、數碼攝像機等便攜式設備已越來越普及， 、掌上遊戲機、數碼攝像機等便攜式設備已越來越普及， 這類產品中有許多是採用鋰離子電池供電， 這類產品中有許多是採用鋰離子電池供電，而由於鋰離子電池的 特性與其它可充電電池不同，內部通常都帶有一塊電路板， 特性與其它可充電電池不同，內部通常都帶有一塊電路板，本文 將對鋰離子電池的特點及其保護電路工作原理進行闡述。 將對鋰離子電池的特點及其保護電路工作原理進行闡述。
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過充電保護工作原理
L
當控制IC檢測到電池電壓達到 決定， 有不同的值） 當控制 檢測到電池電壓達到4.28V（該值由控制 決定，不同的 有不同的值）時， 檢測到電池電壓達到 （該值由控制IC決定 不同的IC有不同的值 腳將由高電壓轉變為零電壓， 由導通轉為關斷， 其“CO”腳將由高電壓轉變為零電壓，使Q2由導通轉為關斷，從而切斷了充電回路，使 腳將由高電壓轉變為零電壓 由導通轉為關斷 從而切斷了充電回路， 充電器無法再對電池進行充電，起到過充電保護作用。而此時由於Q2自帶的體二極體 充電器無法再對電池進行充電，起到過充電保護作用。而此時由於 自帶的體二極體 VD2的存在，電池可以透過該二極體對外部負載進行放電。 的存在， 的存在 電池可以透過該二極體對外部負載進行放電。 在控制IC檢測到電池電壓超過 檢測到電池電壓超過4.28V至發出關斷 信號之間，還有一段延時時間，以避 至發出關斷V2信號之間 在控制 檢測到電池電壓超過 至發出關斷 信號之間，還有一段延時時間， 免因干擾而造成誤判斷。 免因干擾而造成誤判斷。
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在充電過程中，如果過充，由於電解液的分解會產生氣體， 在充電過程中，如果過充，由於電解液的分解會產生氣體， 使其內部壓力上升，以及金屬鋰的釋出而造成有起火及破裂。 使其內部壓力上升，以及金屬鋰的釋出而造成有起火及破裂。 單個電池在約1.5V以下的過放電狀態，負極集電體的銅開 以下的過放電狀態， 單個電池在約 以下的過放電狀態 始溶於電解液，電池性能下降。 始溶於電解液，電池性能下降。 放電過程中的大電流及短路容易造成電池的損壞 由於誤使用造成過充或過放， 由於誤使用造成過充或過放，電池溫度上升 為防止電池在以上幾個方面出現問題， 為防止電池在以上幾個方面出現問題，需要給電池加裝 保護板，對電池的充、放電狀態進行有效監控， 保護板，對電池的充、放電狀態進行有效監控，防止使用中 對電池產生各種損害。 對電池產生各種損害。
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PTC/Fuse
IC
L H H
當控制IC檢測到電池電壓低於 決定， 有不同的值） 當控制 檢測到電池電壓低於2.3V（該值由控制 決定，不同的 有不同的值）時， 檢測到電池電壓低於 （該值由控制IC決定 不同的IC有不同的值 腳將由高電壓轉變為零電壓， 由導通轉為關斷， 其“DO”腳將由高電壓轉變為零電壓，使Q1由導通轉為關斷，從而切斷了放電回路，使 腳將由高電壓轉變為零電壓 由導通轉為關斷 從而切斷了放電回路， 電池無法再對負載進行放電，起到過放電保護作用。而此時由於Q1自帶的體二極 自帶的體二極VD1的 電池無法再對負載進行放電，起到過放電保護作用。而此時由於 自帶的體二極 的 存在， 可以通過該二極體對電池進行充 通過該二極體對電池進行 存在，充電器可以通過該二極體對電池進行充電。 在控制IC檢測到電池電壓低於 檢測到電池電壓低於2.3V至發出關斷 信號之間，也有一段延時時間，該延 至發出關斷V1信號之間 在控制 檢測到電池電壓低於 至發出關斷 信號之間，也有一段延時時間， 時時間的長短由C3決定 通常設為100毫秒左右，以避免因干擾而造成誤判斷。 決定， 毫秒左右， 時時間的長短由 決定，通常設為 毫秒左右 以避免因干擾而造成誤判斷。
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典型單串鋰電池保護板工作原理 典型單串鋰電池保護板工作原理 單串
PTC/Fuse
IC
NTC/ ID R MOSFET
必需 IC MOSFET（Q1、Q2） PTC／ Fuse 非必需 NTC ID R 監測電池電壓， 監測電池電壓，並控制兩個MOSFET的閘極 在電路中起開關作用， MOSFET在電路中起開關作用，控制著充電回路與放電回路的導通與關斷 正比例系數溫度保險絲，實現二次保護， 正比例系數溫度保險絲，實現二次保護，防止IC失效電池短路 反比例系數溫度保險絲， 反比例系數溫度保險絲，用NTC阻值反映電池溫度 阻值反映電池溫度 識別電阻 用于手機開機時識別電池
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鋰離子電池保護電路的功能與作用
功能 保護電池 防止電池爆炸 防止過充電，過放電， 防止過充電，過放電，電流過大 電芯的電壓均衡 與用電設備更好的匹配 作用 防止過充電︰防止電池的特性劣化、起火及破裂， 防止過充電︰防止電池的特性劣化、起火及破裂，確保安全性 防止過放電︰防止電池特性劣化， 防止過放電︰防止電池特性劣化，確保電池的使用壽命 防止過電流︰防止 的破壞， 防止過電流︰防止FET的破壞，短路保護及確保搬運時的安全性 的破壞
MOSFET，它在電 MOSFET，它在電 路中起著開關的作 用，由於它直接串 接在電池與外部負 載之間，因此它的 導通阻抗對電池的 性能有影響，當選 用的MOSFET較好 用的MOSFET較好 時，其導通阻抗很 小，電池包的內阻 就小，帶載能力也 強，在放電時其消 耗的電能也少。
熔斷器在電路中起 著二級過流保護作 用，由於它的電阻 很小在電路中消耗 的能量可以忽略不 計，一旦超過閾值 電流或閾值溫度， 器件內部熔斷而起 到保護作用( 到保護作用(該保護 元件串聯在電池電 路中) 路中)。當故障排除 或斷開電路時，它 不具有恢自複作用 (即在故障排除後無 法回到低阻抗) 法回到低阻抗)。
自複式條狀保護元 件，專門用於鋰離 子電池作過流或過 熱保護。它在正常 溫度時自身電阻極 低(如VLR230的阻 VLR230的阻 值為0.015 值為0.015 )，一 旦有短路及過充或 過放情況發生時， 其電阻會急劇升高 從而起到保護作用。 當故障排除或斷開 電路時，它有自複 作用( 作用(即回到低阻 抗）。
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鋰离子電池保護電路主要元器件
IC
MOSFET
Fuse
PTC
上面電路中所用的 控制IC為 控制IC為MITSUMI 的M3177系列，在 M3177系列，在 實際的電池保護電 路中，還有許多其 它類型的控制IC， 它類型的控制IC， 其工作原理大同小 異，只是在具體參 數上有所差別，有 些控制IC為了節省 些控制IC為了節省 外圍電路，將濾波 電容、延時電容、 MOSFET做到了晶 MOSFET做到了晶 片內部，其外圍電 路可以很少。
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鋰離子電池的優點
Polymer Cylindrical
Prismatic Power
與鎳鎘和鎳氫電池相比，鋰離子電池具備以下幾個優點︰ 與鎳鎘和鎳氫電池相比，鋰離子電池具備以下幾個優點︰ 電壓高，單節鋰離子電池的電壓可達到3.6V，遠高於鎳鎘和鎳氫 電壓高，單節鋰離子電池的電壓可達到 ， 電池的1.2V電壓。 電壓。 電池的 電壓 容量密度大，其容量密度是鎳氫電池或鎳鎘電池的1.5-2.5倍。 容量密度大，其容量密度是鎳氫電池或鎳鎘電池的 倍 荷電保持能力強（即自放電小）， ），在放置很長時間後其容量損失也 荷電保持能力強（即自放電小），在放置很長時間後其容量損失也 很小。 很小。 壽命長，正常使用其循環壽命可達到500次以上。 次以上。 壽命長，正常使用其循環壽命可達到 次以上 沒有記憶效應，在充電前不必將剩餘電量放空，使用方便。 沒有記憶效應，在充電前不必將剩餘電量放空，使用方便。 不含汞、 鋁等公害物質， 不含汞、鎘、鋁等公害物質，屬環保產品
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過電流及短路保護工作原理
PTC/Fuse
IC
L H H
>0.1V
電池在對負載正常放電過程中，放電電流在經過串聯的 個 的導通阻抗， 電池在對負載正常放電過程中，放電電流在經過串聯的2個MOSFET時，由於 時 由於MOSFET的導通阻抗，會在其兩端產生一個電壓，該 的導通阻抗 會在其兩端產生一個電壓， 電壓值U=I*RDS*2 (RDS為單個 為單個MOSFET導通阻抗 ，控制 上的“V-”腳對該電壓值進行檢測，若負載因某種原因導致異常，使回路 導通阻抗)， 上的“ 腳對該電壓值進行檢測 若負載因某種原因導致異常， 腳對該電壓值進行檢測， 電壓值 為單個 導通阻抗 控制IC上的 電流增大，當回路電流大到使U>0.1V（該值由控制 決定，不同的 有不同的值）時，其“DO”腳將由高電壓轉變為零電壓，使V1 決定， 有不同的值） 腳將由高電壓轉變為零電壓， 電流增大，當回路電流大到使 （該值由控制IC決定 不同的IC有不同的值 腳將由高電壓轉變為零電壓 由導通轉為關斷，從而切斷了放電回路，使回路中電流為零，起到過電流保護作用。 由導通轉為關斷，從而切斷了放電回路，使回路中電流為零，起到過電流保護作用。 在上述控制過程中可知，其過電流檢測值大小不僅取決於控制IC的控制值 還取決於MOSFET的導通阻抗，當MOSFET導通阻抗 的控制值， 的導通阻抗， 在上述控制過程中可知，其過電流檢測值大小不僅取決於控制 的控制值，還取決於 的導通阻抗 導通阻抗 越大時，對同樣的控制IC，其過電流保護值越小。 越大時，對同樣的控制 ，其過電流保護值越小。 在控制IC检测到过电流发生至发出关断 信号之间，有一段延时时间，该延时时间的长短由C3决定 通常为13毫秒左右 检测到过电流发生至发出关断V1信号之间 决定， 毫秒左右， 在控制 检测到过电流发生至发出关断 信号之间，有一段延时时间，该延时时间的长短由 决定，通常为 毫秒左右，以避免 因干扰而造成误判断。 因干扰而造成误判断。 短路保護的延時時間極短，通常小於7微秒 其工作原理與過電流保護類似，只是判斷方法不同，保護延時時間也不一樣。 微秒。 短路保護的延時時間極短，通常小於 微秒。其工作原理與過電流保護類似，只是判斷方法不同，保護延時時間也不一樣。
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正常狀態
H
H
正常狀態下，保護晶片的 腳都輸出高電壓， 正常狀態下，保護晶片的CO與DO腳都輸出高電壓，兩個 與 腳都輸出高電壓 兩個MOSFET都處於 都處於 導通狀態，電池可以自由地進行充電和放電，由於MOSFET的導通電阻很 導通狀態，電池可以自由地進行充電和放電，由於 的導通電阻很 小，通常小於30毫歐，因此其導通電阻對電路的性能影響很小。 通常小於 毫歐，因此其導通電阻對電路的性能影響很小。 毫歐 在正常狀態下保護電路的消耗電流為µA級 通常小於7µA。 在正常狀態下保護電路的消耗電流為 級，通常小於 。