如何選擇 MOSFET去對鋰電池進行保護？

1.前言

每年，越來越多的電子設備由包含鋰離子 (Li ion) 電池的電池供電。. 高功率密度、低自放電率和易于充電使它們成為幾乎所有便攜式電子產(chǎn)品的首選電池類型——如今，從口袋里的手機到電動汽車，每天都有數(shù)百萬人開車上班由鋰離子電池供電。盡管這些電池具有許多優(yōu)點，但也帶來了某些風險和設計挑戰(zhàn)，如果不能成功緩解，可能會導致災難性的結果。我認為沒有人會很快忘記爆炸性的 Galaxy S7 設備平板電腦以及隨后在 2016 年的召回。

2.電池保護方案

降低此類破壞性事件風險的一種常見方法是將 MOSFET 放置在充電和放電路徑中，當電池電壓被認為是在一個指定的安全范圍，或者 IC 在充電或放電期間檢測到過電流浪涌（見圖 1）。

圖 1：簡化的單節(jié)鋰離子電池保護電路

因為這不是一個快速開關應用，所以你真的只需要考慮最壞情況下的傳導損耗，這使得 MOSFET 的選擇標準類似于負載開關的選擇標準。但是有一些獨特的考慮需要單獨討論以突出那些特定于電池保護的注意事項。

由于電池保護 MOSFET 完全增強并持續(xù)傳導電流，或者完全關閉以斷開電池電壓與其他電子設備的連接，因此在考慮用于此應用的 FET 時，我們幾乎可以忽略開關參數(shù)。相反，就像根據(jù)電流處理能力選擇負載開關 FET 一樣，電阻和封裝類型是兩個最重要的考慮因素。考慮到這一點，將電池保護分為不同類型的終端設備所需的三層電流并分析用于每個層的 FET 類型是有意義的。

第一層是使用一到兩個電池供電的低功耗個人電子產(chǎn)品，如手機、平板電腦、智能手表或個人健康追蹤器。這些設備在充電和放電時消耗的電流量可能高達幾安培，也可能低至幾百毫安。眾所周知，個人電子產(chǎn)品設計師一直在努力減少產(chǎn)品的尺寸（和重量），一代又一代，因此他們選擇 FET 來保護電池的標準是它們盡可能小，同時仍然能夠處理最大的充電和放電電流。有時，這意味著 FemtoFET? N 溝道 MOSFET 等芯片級器件是不錯的選擇。

由于在這些應用中 FET 通常背靠背放置，從而阻塞充電和放電路徑（如上圖 1 所示），有時將兩個器件集成到一個公共漏極配置中的單個封裝中是最節(jié)省空間的解決方案（圖 2） ）。TI 擁有許多集成的背對背器件，可提供芯片級封裝和小型四方扁平無引線 (QFN) SON3x3 塑料封裝。

圖 2：集成到單個封裝中的公共漏極配置 FET 的示意圖

第二層電池供電設備是多節(jié)手持無繩電動工具，如電鉆、修剪器、小鋸和家用電器（如機器人真空吸塵器）。這些設備仍然對尺寸很敏感，但以相當高的電流為電池充電，通常高于 10A。因此，設計人員通常使用電阻最低的 D2PAK、TO-220 或在某些情況下使用 QFN 封裝。必要時，可以并行使用多個設備，尤其是對于鏈鋸和綠籬修剪機等大型工具，但將 FET 的數(shù)量保持在最低限度以保持較小的外形尺寸仍然很重要。與電機控制 FET 一樣，給定封裝中電阻最低的器件通常更可??；否則你會選擇一個較小的包。

第三層最高功率的電池充電應用是電動汽車，如電動自行車、電動滑板車，甚至電動汽車和公共汽車。在這一點上，電流和功率水平可能很大（數(shù)百安培，幾千瓦的功率），并且確實沒有辦法將多個 FET 并聯(lián)用于充電和放電路徑。我見過設計人員在大型電路板上并聯(lián)了數(shù)十個 FET，通常使用 D2PAK、安裝在散熱器上的 TO-220 或其他熱增強型封裝設備（圖 3）。除了設計較小的電動自行車外，尺寸通常不是問題，電流處理能力是游戲的名稱。同樣，這意味著只選擇電阻最低的 FET。所需的 FET 數(shù)量是電阻、最高環(huán)境溫度以及電路板和系統(tǒng)作為孔的熱阻抗的函數(shù)。

圖 3：數(shù)十個 D2PAK FET 并聯(lián)在一塊大型 PCB 上，用于為電動汽車的電池充電和放電

關于在電動汽車中使用電池保護 FET 的最后一個注意事項——確定最終應用是否需要 Q101 級 FET 至關重要。Q101 是汽車電子委員會的汽車認證等級（集成電路的 Q100 分立等效物），它對質量和可靠性的要求比商業(yè)級設備的強制性要求要嚴格得多。我們的設備是否需要 Q-101 認證取決于最終應用和許多其他因素，從客戶的標準到車輛運營所在國家/地區(qū)的立法。

電動自行車和電動滑板車通常不太可能需要 Q-101，但情況并非總是如此。最好在圍繞 FET 構建設計之前找出這一點，而這些 FET 無法放入最終終端設備中。TI 在其產(chǎn)品組合中不提供任何符合汽車標準的 FET，因此如果有此要求，我們的 FET 解決方案必須來自其他地方。