在電池保護(hù)應(yīng)用中如何選擇 MOSFET器件

在這篇文章中，我們將研究 MOSFET 用于電池保護(hù)。

每年，越來(lái)越多的電子設(shè)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其成為幾乎所有便攜式電子產(chǎn)品的首選電池類(lèi)型——如今，從口袋里的手機(jī)到每天數(shù)以百萬(wàn)計(jì)開(kāi)車(chē)上班的電動(dòng)汽車(chē)，應(yīng)有盡有由鋰離子電池供電。盡管它們具有許多優(yōu)點(diǎn)，但這些電池也帶來(lái)了一定的風(fēng)險(xiǎn)和設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，如果不成功緩解這些風(fēng)險(xiǎn)和設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，可能會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。我認(rèn)為沒(méi)有人會(huì)很快忘記 2016 年爆炸性的 Galaxy S7 設(shè)備平板電腦和隨后的召回。

降低此類(lèi)破壞性事件風(fēng)險(xiǎn)的一種常見(jiàn)方法是將 MOSFET 放置在充電和放電路徑中，當(dāng)電池電壓被認(rèn)為是外部電路時(shí)，它可以切斷電池與末端電路中其他電子設(shè)備之間的電氣連接。指定的安全范圍，或 IC 在充電或放電期間檢測(cè)到過(guò)電流浪涌（參見(jiàn)圖 1）。

圖 1：簡(jiǎn)化的單節(jié)鋰離子電池保護(hù)電路

因?yàn)檫@不是一個(gè)快速開(kāi)關(guān)應(yīng)用，所以我們實(shí)際上只需要考慮最壞情況下的傳導(dǎo)損耗，這使得 MOSFET 的選擇標(biāo)準(zhǔn)類(lèi)似于負(fù)載開(kāi)關(guān)的選擇標(biāo)準(zhǔn)。但是有一些獨(dú)特的考慮值得單獨(dú)討論，以突出那些特定于電池保護(hù)的警告。

因?yàn)殡姵乇Ｗo(hù) MOSFET 既可以完全增強(qiáng)并持續(xù)傳導(dǎo)電流，也可以完全關(guān)閉以斷開(kāi)電池電壓與其他電子設(shè)備的連接，因此在考慮用于此應(yīng)用的 FET 時(shí)，我們幾乎可以忽略開(kāi)關(guān)參數(shù)。相反，就像根據(jù)電流處理能力選擇負(fù)載開(kāi)關(guān) FET 時(shí)一樣，電阻和封裝類(lèi)型是兩個(gè)最重要的考慮因素?？紤]到這一點(diǎn)，將電池保護(hù)分解為不同類(lèi)型的終端設(shè)備所需的三層電流并分析用于每層的 FET 類(lèi)型是有意義的。

第一層是使用一到兩個(gè)電池運(yùn)行的低功耗個(gè)人電子產(chǎn)品，例如手機(jī)、平板電腦、智能手表或個(gè)人健康追蹤器。這些設(shè)備在充電和放電時(shí)消耗的電流量可高達(dá)幾安培或低至幾百毫安。眾所周知，個(gè)人電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)師在每一代產(chǎn)品中都在不斷努力減小產(chǎn)品的尺寸（和重量），因此他們選擇 FET 進(jìn)行電池保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)是盡可能小，同時(shí)仍能夠處理最大充電和放電電流。有時(shí)這意味著像 FemtoFET? N 溝道 MOSFET 這樣的芯片級(jí)器件是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

由于 FET 在這些應(yīng)用中經(jīng)常背靠背放置，從而阻塞了充電和放電路徑（如上圖 1 所示），有時(shí)將兩個(gè)器件集成到一個(gè)采用公共漏極配置的單一封裝中是最節(jié)省空間的解決方案（圖 2 ）。TI 擁有大量集成背靠背器件，提供芯片級(jí)封裝和小型四方扁平無(wú)引線 (QFN) SON3x3 塑料封裝。

圖 2：集成到單個(gè)封裝中的通用漏極配置 FET 示意圖

第二類(lèi)電池供電設(shè)備是多節(jié)手持式無(wú)繩電動(dòng)工具，如電鉆、修剪器、小鋸和家用電器，如機(jī)器人真空吸塵器。這些設(shè)備仍然對(duì)尺寸敏感，但以相當(dāng)高的電流為電池充電，通常高于 10A。因此，設(shè)計(jì)人員通常使用電阻最低的 D2PAK、TO-220 或某些情況下的 QFN 封裝。必要時(shí)可以并行使用多個(gè)設(shè)備，特別是對(duì)于電鋸和綠籬修剪機(jī)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(jī)控制 FET 一樣，給定封裝中電阻最低的器件通常更可取。否則你會(huì)選擇一個(gè)更小的包。

第三層最高功率的電池充電應(yīng)用是電動(dòng)汽車(chē)，如電動(dòng)自行車(chē)、電動(dòng)踏板車(chē)，甚至電動(dòng)汽車(chē)和公共汽車(chē)。在這一點(diǎn)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(shí)沒(méi)有辦法將多個(gè) FET 并聯(lián)用于充電和放電路徑。我見(jiàn)過(guò)設(shè)計(jì)人員在大型電路板上并聯(lián)數(shù)十個(gè) FET，通常使用 D2PAK、散熱器安裝的 TO-220 或其他熱增強(qiáng)封裝器件（圖 3）。除了設(shè)計(jì)較小的電動(dòng)自行車(chē)外，尺寸通常不是問(wèn)題，電流處理能力是游戲的名稱(chēng)。再一次，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)境溫度以及作為孔的電路板和系統(tǒng)的熱阻抗的函數(shù)。

圖 3：數(shù)十個(gè) D2PAK FET 并聯(lián)在大型 PCB 上，用于電動(dòng)汽車(chē)電池的充電和放電

關(guān)于在電動(dòng)汽車(chē)中使用電池保護(hù) FET 的最后一點(diǎn)說(shuō)明——確定最終應(yīng)用是否需要 Q101 級(jí) FET 至關(guān)重要。Q101 是來(lái)自汽車(chē)電子委員會(huì)的汽車(chē)認(rèn)證等級(jí)（集成電路的 Q100 分立等效物），它對(duì)質(zhì)量和可靠性的要求比商業(yè)級(jí)設(shè)備的強(qiáng)制性要求要嚴(yán)格得多。我們的設(shè)備是否需要 Q-101 認(rèn)證取決于最終應(yīng)用和許多其他因素，從客戶標(biāo)準(zhǔn)到車(chē)輛運(yùn)營(yíng)所在國(guó)家/地區(qū)的法律。

電動(dòng)自行車(chē)和電動(dòng)滑板車(chē)通常不太可能需要 Q-101，但情況并非總是如此。最好在圍繞無(wú)法放入最終終端設(shè)備的 FET 構(gòu)建設(shè)計(jì)之前找出這一點(diǎn)。TI 在其產(chǎn)品組合中不提供任何符合汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)的 FET，因此如果有此要求，我們的 FET 解決方案將不得不來(lái)自其他地方。