背景
接连几年品牌手机频繁发生电池爆炸事故，导致多国民航部门对其发布“封杀令”。小巧方便的手机电池，为什么会发生爆炸呢？
锂电池爆炸的原因类别：负极容量不足，水份含量过高，内部短路，保护线路老化失效，过充，过放，外部短路，外部挤压和暴力碰撞。但分析下来，电池爆炸跳脱不了电池的“热失控”过程，“热失控”是一个能量正反馈的循环过程：电芯升高温度会导致电池系统变热，电池系统温度进一步升高，又让电芯温度变得更热。环境温度过高，经常过充、短路等等都会引起锂离子电池热失控，最终可能产生起火或者爆炸。
锂电池从诞生起，就一直存在安全问题。随着手机、平板电脑等便携式电子产品要求待机时长、薄型化、轻量化，就要求电池具有高容量小体积，这时电芯的能量密度高，危险性也就随之更大。因此，锂离子电池的保护是不可缺少的，针对不同锂离子电池，不同手机厂家要求不同的保护方案。
保护方案分析
保护电路可分为两部分：主动组件保护(保护IC和MOSFET)，又称为一级保护，一级保护电路主要是针对电池的过充、过放、过载及短路进行保护，采用IC检测电池电压及充放电电流去控制MOSFET导通或关断从而保证锂电池工作在安全状态。充放电保护电路关键元件—— MOSFET也有一定比率的短路失效，所以在主保护电路之外，再加一个二级保护，进一步降低风险。在二级保护方案中，目前常用保护方案有以下5种，1：PTC电流温度敏感元件；2：Breaker温度敏感元件；3：三端保险丝。4：IC方案5：温度Fuse。
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(IC + MOSFET) +PPTC元件（长园维安PPTC：LN/LTH、LP-U/NSML系列）
PTC可恢复敏感元件是一被动保护组件，用可恢复PTC敏感元件去检测电池芯的温度，当温度异常升高时PTC呈现高阻状态，阻碍电池的充放电，电池温度迅速下降，从而防止锂电池的起火爆炸。PTC元器件同时支持电池组过大电流保护，该器件会随温度升高，电阻线性变大，当电流或温度升高到某一定值时，阻值发生突变（变大），从而使电流变到mA级，待温度下降，又会恢复正常，电池可以重新回复工作。
图1：PPTC工作原理
因UL安规中LPS（8A/60s）限制，且存在温度衰减效应，所以选择规格偏大。目前，在兼顾LPS和手机电池的充放电循环寿命（＞800cycles）应用的前提下，如1206常温5A的规格，PTC厂商仅承诺充放电电流小于3A且环境温度低于45℃的项目上推荐使用PTC作为二级保护元器件。长园维安在经技术提升和工艺改善，可实现充放电电流3.5A在高温下(45℃)充放至少800cycles的SMD 型PPTC产品。
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(IC + MOSFET) + Breaker敏感元件
Breaker在温度过高时，利用器件内双金属片发生温度形变反转，触点脱开而切断电流；与双金属片相并联的PTC元件发热使双金属片保持在分断状态；当故障排除后， PTC器件的温度下降，双金属片形变回复，电路接通又恢复到低阻状态。
图2：Breaker工作原理和实物图
Breaker具有可恢复性，保护温度点精准的优点。Breaker的触点式结构，易产生电弧，受震动冲击易导致触点分断而引起误关机；只有一高温度保护点(双金属形变点)，低温下相对较难实现保护；此外，Breaker元件成本较高，人工点焊成本高且体积大，与现行小型化，自动化趋势相悖。
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(IC+ MOSFET) + 三端Fuse（长园维安SCF：WPF产品系列）
三端Fuse可满足过压及过流的保护需求，且温度折减比率也非常低，阻抗比较小，损耗的功率也比较小，设计起来也比较简单，而且动作速度快得多，相对保护机制比较安全。三端Fuse具有更大的充放电电流，多数应用在多节电池组中；若应用在单节电池中，一般需要采用阻燃外壳材料，来获得LPS豁免；此外，三端Fuse应用作二级保护元件，过流保护时，大电流冲击下一、二端合金发生断开，断开点多为一处，合金呈开裂，实现开路。过压保护时，单独配一个电压检测IC和MOSFET来达到过压时第三端电流导通，触发三端Fuse过压保护功能。过温保护功能时，需增加一贴片型的陶瓷PTC，当感应到一级保护MOSFET过温后，阻值突变，从而分压大幅增加，触发MOSFET打开。
图3：长园维安三端Fuse过流/过压保护原理图
在单节电芯上，三端Fuse总体成本较高，因而更适宜用于多节电芯的保护。长园维安开发的SCF产品系列可实现表面贴装化、定制化生产，通过电路设计可实现过流、过温和过压保护三重保护。
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双(IC + MOSFET)
IC+MOSFET保护方案是利用控制IC检测电池电压和回路电流，并控制具有开关作用的MOSFET，从而达到控制住充电/放电回路的导通与关断，IC+MOSFET具有过充电路保护、过放电保护、过电流/短路保护；双IC保护方案还可满足过压需求，但是MOSFET的阻抗会随着温度的升高而发生偏大，此外MOSFET也有一定比率的短路失效，电路中触发IC失效的同一故障也会促使二级保护IC和MOSFET失效，站在安全角度来说有一定风险。尽管IC+MOSFET通常被认为是可靠的，但当静电放电电压过高或超温时可能损坏保护IC或MOSFET，而且在短路时集成电路会发生振荡现象，也会使得保护的可靠性也降低了。IC+MOSFET作为二级保护方案成本较高，供货紧张。此外，双重IC保护电路均为主动性保护，大大降低了锂电池芯的过充电、短路及反向充电的概率，但是对电池处于异常高温或对电池电芯本身就存在问题却无能为力，据统计大约85%以上的电池起火爆炸是因为电池电芯本身出现了问题。所以，单从保护电路方面而言，其防止电池起火作用有限，这也是采用双IC保护方案的手机在有问题电池电芯出现过热爆炸无法被保护的可能原因。
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( IC + MOSFET) + 温度Fuse
当电路中电流超过额定值或电池的温度上升到一定值时，温度Fuse中低熔点合金熔断，电路断开达到保护电池免遭破坏；温度Fuse能感应电路电流及温度，Fuse熔断后无法恢复，为一次性保护。
图4：温度Fuse保护原理
温度Fuse可以较好的保护电池因电芯发热而产生的起火爆炸，而且成本较低。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温度Fuse的误动作，其不可恢复特性使得这种方案的应用有一定的局限性。此外，温度Fuse无法实现表面贴装化加工，此方案渐为市场淘汰。
总结
随着锂电池芯能量密度的不断提高，安全性会更加受到重视，基于上述几种锂电池二级保护方案的分析比较，IC + MOSFET同一级保护方案为主动保护，其保护方式和失效模式均为相同，一旦出现故障失效，就失去保护；或针对电芯问题和过温异常也无法起到保护作用。以IC+MOSFET一级主动保护+二级被动保护的方案，因其保护方式更全面，失效模式也迥异，因而更能有效地防止锂电池在使用过程中发生起火爆炸。被动保护方案中，温度Fuse因其自身局限性，已逐渐淘汰；Breaker因体积、成本和加工方式，也成为电池生产商的痛点；三端Fuse因其电流大，应用在单节电芯的电池成本较高，而多用在多节电芯的电池。PPTC保护元件这种方案是应用最为广泛的，性价比也是最高的；长园维安开发的5A规格产品在充放电应用中具有更高电阻稳定性，适宜应用在更大充放电电流的电池保护方案。
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