電池充放電管理PCM保護(hù)板功率MOSFET應(yīng)用（1）
[導(dǎo)讀]?0、前言鋰離子電池包的內(nèi)部，電芯和輸出負(fù)載之間要串聯(lián)功率MOSFET，使用專用的IC控制MOSFET的開關(guān)，從而對電芯的充、放電進(jìn)行管理，如圖1所示。在消費(fèi)電子系統(tǒng)中，如手機(jī)電池包，筆記本電腦電池包等，帶有控制IC、功率MOSFETFE管以及其他電子元件的電路系統(tǒng)稱為電池充放電...
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0、前言
鋰離子電池包的內(nèi)部，電芯和輸出負(fù)載之間要串聯(lián)功率MOSFET，使用專用的IC控制MOSFET的開關(guān)，從而對電芯的充、放電進(jìn)行管理，如圖1所示。在消費(fèi)電子系統(tǒng)中，如手機(jī)電池包，筆記本電腦電池包等，帶有控制IC、功率MOSFETFE管以及其他電子元件的電路系統(tǒng)稱為電池充放電保護(hù)板Protection Circuit Module （PCM），而對于動力電池的電池管理系統(tǒng)，則稱為Battery Management System （BMS）。
圖1：電池充放電保護(hù)板電路結(jié)構(gòu)?在電池充放電保護(hù)板PCM中，充、放電分別使用一顆功率MOSFET，背靠背的串聯(lián)起來。功率MOSFET管背靠背的串聯(lián)的方式有二種：一種是二顆功率MOSFET的漏極連接在一起；另一種是二顆功率MOSFET的源極連接在一起。功率MOSFET管放置的位置也有二種方式：一種是二顆功率MOSFET放在電池的負(fù)端，也就是所謂的“地端”、低端（Low Side）；另一種是二顆功率MOSFET放在電池的正端，高端（High Side）。功率MOSFET背靠背連接的不同方式、以及放在不同的位置，都有各自的優(yōu)缺點，對應(yīng)著系統(tǒng)的不同要求。
PCM需要低的導(dǎo)通電阻，同時要控制成本，通常采用N溝道的功率MOSFET。P溝道的功率MOSFET放在高端驅(qū)動簡單靈活，有少量的應(yīng)用也會采用P溝道MOSFET。但是，P溝道MOSFET的導(dǎo)通電阻很難做低，成本高，選型的型號和供應(yīng)廠家也受限，因此，N溝道的功率MOSFET依然是主流的方案。
如果功率MOSFET有非常嚴(yán)格的體積和尺寸的要求，需要將二個功率MOSFET集成到一個芯片上，由于通用的功率MOSFET是垂直結(jié)構(gòu)，襯底是漏極D，因此，使用漏極的背靠背結(jié)構(gòu)就可以采用這樣工藝。采用水平（橫向）結(jié)構(gòu)的功率MOSFET，可以使用漏極、或源極的背靠背結(jié)構(gòu)，但是，水平結(jié)構(gòu)的功率MOSFET導(dǎo)通電阻很難做低，做低導(dǎo)通電阻成本也高。
1、背靠背功率MOSFET配置方式及工作原理
1.1 地端、漏極背靠背的工作原理
充、放電管理的二顆N溝道的功率MOSFET放在地端，漏極背靠背連接在一起，是PCM常用的方案之一，如圖2所示。其中，Q1為電池放電的功率MOSFET，Q2為電池充電的功率MOSFET，B 為電池（電芯）的正端，B-為電池（電芯）的負(fù)端，P 為電池包的正端，P-為電池包的負(fù)端，VSS為電池保護(hù)管理IC的地，電池的負(fù)端、VSS和Q1的源極連接在一起。PCM電路板工作前，Q1、Q2都是關(guān)斷的。
圖2：功率MOSFETFE放地端、漏極背靠背電路圖
（1）充電充電的時候，控制IC給出充電功率MOSFET管Q2的柵極驅(qū)動信號CO，Q2柵極驅(qū)動信號路徑為：外部充電電路的正端->P ->B ->R1->VDD->CO驅(qū)動輸出->Q1柵極->Q1源極->P-->外部充電電路的負(fù)端，形成完整的驅(qū)動回路，Q2開通，如圖3所示。
圖3：充電，CO輸出Q2的驅(qū)動信號
Q2開通后，充電電流的路徑為：P ->B ->B-->Q1體內(nèi)寄生二極管->Q2溝道->P-，電池就可以充電，如圖4所示。
圖4：Q2導(dǎo)通的充電回路
為了減小Q1的損耗，Q2開通后，控制IC給出放電功率MOSFET管Q1的柵極驅(qū)動信號DO開通Q1，Q1的導(dǎo)通電阻RDSON低，導(dǎo)通損耗遠(yuǎn)低于體內(nèi)寄生二級管的損耗，從而提高充電的效率。Q1驅(qū)動信號路徑為：VDD->DO驅(qū)動輸出->Q1柵極->Q1源極->B-->VSS，形成完整的驅(qū)動回路，Q1開通，如圖5所示。
圖5：充電，Q2導(dǎo)通后，DO輸出Q1的驅(qū)動信號?Q2、Q1同時處于導(dǎo)通狀態(tài)，充電電流的路徑為：P ->B ->B-->Q1溝道->Q2溝道->P-，如圖6所示。
圖6：Q2、Q1導(dǎo)通的充電回路
（2）放電放電的時候，控制IC給出放電功率MOSFET管Q1的柵極驅(qū)動信號DO，Q1柵極驅(qū)動信號路徑為：VDD->DO驅(qū)動輸出->Q1柵極->Q1源極->B-->VSS，形成完整的驅(qū)動回路，就可以打開Q1，如圖7所示。
圖7：放電，DO輸出Q1的驅(qū)動信號
Q1開通后，放電的電流路徑為：P-->Q2體內(nèi)寄生二極管->Q1溝道->B-->B ->P ，電池就可以放電，如圖8所示。
圖8：Q1開通的放電回路?為了減小Q2的損耗，Q1開通后，控制IC給出充電功率MOSFET管Q2的柵極驅(qū)動信號CO開通Q2，Q2的導(dǎo)通電阻RDSON低，導(dǎo)通損耗遠(yuǎn)低于體內(nèi)寄生二級管的損耗，從而提高電池使用的時間。Q2驅(qū)動信號路徑為：VDD->CO驅(qū)動輸出->Q2柵極->Q2源極->Q2體內(nèi)寄生二極管->Q1溝道->B-->VSS，形成完整的驅(qū)動回路，Q2開通，如圖9所示。
圖9：放電，Q1導(dǎo)通后，CO輸出Q2的驅(qū)動信號?Q1、Q2同時處于導(dǎo)通狀態(tài)，放電電流的路徑為：P-->Q2溝道->Q1溝道->B-->B ->P ，如圖10所示。
圖10：Q1、Q2導(dǎo)通的放電回路?1.2 地端、源極背靠背
N溝道的二顆功率MOSFET源極背靠背連接在一起，放在地端，如圖11所示，這種結(jié)構(gòu)在PCM里面應(yīng)用較少，在一些負(fù)載開關(guān)以及通信系統(tǒng)的熱插拔電路中，才有使用。
圖11：功率MOSFET源極背靠背連接?1. 3 高端、漏極背靠背的工作原理
充、放電管理的二顆N溝道的功率MOSFET放在電源端，也就是高端，漏極背靠背連接在一起，也是是PCM常用的方案之一，如圖12所示。其中，Q1為電池放電的功率MOSFET，Q2為電池充電的功率MOSFET。
N溝道的二顆功率MOSFET放在高端，MOSFET開通時，柵極G的電壓要高于源極S的電壓，源極S的電壓為輸入電源電壓，因此，需要二個的充電泵，疊加在輸入電源電壓（MOSFET的源極S）上，對它們進(jìn)行浮驅(qū)。
圖12：功率MOSFETFE放在高端，漏極背靠背?1.4 高端、源極背靠背的工作原理
充、放電管理的二顆N溝道的功率MOSFET放在電源端，也就是高端，源極背靠背連接在一起，如圖13所示。N溝道的二顆功率MOSFET共源極，因此，只需要一個的充電泵，就可以對它們進(jìn)行浮驅(qū)，這種結(jié)構(gòu)應(yīng)用于一些負(fù)載開關(guān)，如筆記本電腦內(nèi)部輸入電源電壓的負(fù)載開關(guān)。
圖13：功率MOSFETFE放在高端，源極背靠背?2、大電流多管并聯(lián)
目前，為了提高電子系統(tǒng)的使用時間和待機(jī)時間，電池的容量越來越大，如3000mAh到5000mAh，甚至更大，為了縮短充電時間，提高充電的速度，通常使用快充，也就是使用更大的充電電流，如4A、5A、6A，甚至高到8A，對電池充電，這樣PCM內(nèi)部功率MOSFET的功耗非常大，溫度非常高。為了降低功率MOSFET的溫升，滿足熱設(shè)計的要求，保證功率MOSFET可靠運(yùn)行，就會使用二個或多個功率MOSFET并聯(lián)工作，如圖14所示。
圖14：大電流多管并聯(lián)?3、冗余設(shè)計
根據(jù)安規(guī)LPS要求，如果PCM內(nèi)部的功率MOSFET發(fā)生損壞而短路，那么接上充電器，輸入電壓直接加在電池上，可能發(fā)生危險。為了提高系統(tǒng)的安全，可以再串聯(lián)一組背靠背的功率MOSFET，或使用其他的方案，形成冗余設(shè)計，當(dāng)一級保護(hù)失效后，還有另一級保護(hù)，如圖15、圖16、圖17、圖18所示。
圖15：二組功率MOSFET，一組放在高端，一組放在低端
圖16：二組功率MOSFET放在低端
圖17：功率MOSFET放在高端，電子保險絲
圖18：功率MOSFET放在低端，電子保險絲
-- 未完待續(xù)，第二部內(nèi)容見下期。
吸鐵石，鋼鞭和金锏
0、前言
鋰離子電池包的內(nèi)部，電芯和輸出負(fù)載之間要串聯(lián)功率MOSFET，使用專用的IC控制MOSFET的開關(guān)，從而對電芯的充、放電進(jìn)行管理，如圖1所示。在消費(fèi)電子系統(tǒng)中，如手機(jī)電池包，筆記本電腦電池包等，帶有控制IC、功率MOSFETFE管以及其他電子元件的電路系統(tǒng)稱為電池充放電保護(hù)板Protection Circuit Module （PCM），而對于動力電池的電池管理系統(tǒng)，則稱為Battery Management System （BMS）。
圖1：電池充放電保護(hù)板電路結(jié)構(gòu)?在電池充放電保護(hù)板PCM中，充、放電分別使用一顆功率MOSFET，背靠背的串聯(lián)起來。功率MOSFET管背靠背的串聯(lián)的方式有二種：一種是二顆功率MOSFET的漏極連接在一起；另一種是二顆功率MOSFET的源極連接在一起。功率MOSFET管放置的位置也有二種方式：一種是二顆功率MOSFET放在電池的負(fù)端，也就是所謂的“地端”、低端（Low Side）；另一種是二顆功率MOSFET放在電池的正端，高端（High Side）。功率MOSFET背靠背連接的不同方式、以及放在不同的位置，都有各自的優(yōu)缺點，對應(yīng)著系統(tǒng)的不同要求。
PCM需要低的導(dǎo)通電阻，同時要控制成本，通常采用N溝道的功率MOSFET。P溝道的功率MOSFET放在高端驅(qū)動簡單靈活，有少量的應(yīng)用也會采用P溝道MOSFET。但是，P溝道MOSFET的導(dǎo)通電阻很難做低，成本高，選型的型號和供應(yīng)廠家也受限，因此，N溝道的功率MOSFET依然是主流的方案。
如果功率MOSFET有非常嚴(yán)格的體積和尺寸的要求，需要將二個功率MOSFET集成到一個芯片上，由于通用的功率MOSFET是垂直結(jié)構(gòu)，襯底是漏極D，因此，使用漏極的背靠背結(jié)構(gòu)就可以采用這樣工藝。采用水平（橫向）結(jié)構(gòu)的功率MOSFET，可以使用漏極、或源極的背靠背結(jié)構(gòu)，但是，水平結(jié)構(gòu)的功率MOSFET導(dǎo)通電阻很難做低，做低導(dǎo)通電阻成本也高。
1、背靠背功率MOSFET配置方式及工作原理
1.1 地端、漏極背靠背的工作原理
充、放電管理的二顆N溝道的功率MOSFET放在地端，漏極背靠背連接在一起，是PCM常用的方案之一，如圖2所示。其中，Q1為電池放電的功率MOSFET，Q2為電池充電的功率MOSFET，B 為電池（電芯）的正端，B-為電池（電芯）的負(fù)端，P 為電池包的正端，P-為電池包的負(fù)端，VSS為電池保護(hù)管理IC的地，電池的負(fù)端、VSS和Q1的源極連接在一起。PCM電路板工作前，Q1、Q2都是關(guān)斷的。
圖2：功率MOSFETFE放地端、漏極背靠背電路圖
（1）充電充電的時候，控制IC給出充電功率MOSFET管Q2的柵極驅(qū)動信號CO，Q2柵極驅(qū)動信號路徑為：外部充電電路的正端->P ->B ->R1->VDD->CO驅(qū)動輸出->Q1柵極->Q1源極->P-->外部充電電路的負(fù)端，形成完整的驅(qū)動回路，Q2開通，如圖3所示。
圖3：充電，CO輸出Q2的驅(qū)動信號
Q2開通后，充電電流的路徑為：P ->B ->B-->Q1體內(nèi)寄生二極管->Q2溝道->P-，電池就可以充電，如圖4所示。
圖4：Q2導(dǎo)通的充電回路
為了減小Q1的損耗，Q2開通后，控制IC給出放電功率MOSFET管Q1的柵極驅(qū)動信號DO開通Q1，Q1的導(dǎo)通電阻RDSON低，導(dǎo)通損耗遠(yuǎn)低于體內(nèi)寄生二級管的損耗，從而提高充電的效率。Q1驅(qū)動信號路徑為：VDD->DO驅(qū)動輸出->Q1柵極->Q1源極->B-->VSS，形成完整的驅(qū)動回路，Q1開通，如圖5所示。
圖5：充電，Q2導(dǎo)通后，DO輸出Q1的驅(qū)動信號?Q2、Q1同時處于導(dǎo)通狀態(tài)，充電電流的路徑為：P ->B ->B-->Q1溝道->Q2溝道->P-，如圖6所示。
圖6：Q2、Q1導(dǎo)通的充電回路
（2）放電放電的時候，控制IC給出放電功率MOSFET管Q1的柵極驅(qū)動信號DO，Q1柵極驅(qū)動信號路徑為：VDD->DO驅(qū)動輸出->Q1柵極->Q1源極->B-->VSS，形成完整的驅(qū)動回路，就可以打開Q1，如圖7所示。
圖7：放電，DO輸出Q1的驅(qū)動信號
Q1開通后，放電的電流路徑為：P-->Q2體內(nèi)寄生二極管->Q1溝道->B-->B ->P ，電池就可以放電，如圖8所示。
圖8：Q1開通的放電回路?為了減小Q2的損耗，Q1開通后，控制IC給出充電功率MOSFET管Q2的柵極驅(qū)動信號CO開通Q2，Q2的導(dǎo)通電阻RDSON低，導(dǎo)通損耗遠(yuǎn)低于體內(nèi)寄生二級管的損耗，從而提高電池使用的時間。Q2驅(qū)動信號路徑為：VDD->CO驅(qū)動輸出->Q2柵極->Q2源極->Q2體內(nèi)寄生二極管->Q1溝道->B-->VSS，形成完整的驅(qū)動回路，Q2開通，如圖9所示。
圖9：放電，Q1導(dǎo)通后，CO輸出Q2的驅(qū)動信號?Q1、Q2同時處于導(dǎo)通狀態(tài)，放電電流的路徑為：P-->Q2溝道->Q1溝道->B-->B ->P ，如圖10所示。
圖10：Q1、Q2導(dǎo)通的放電回路?1.2 地端、源極背靠背
N溝道的二顆功率MOSFET源極背靠背連接在一起，放在地端，如圖11所示，這種結(jié)構(gòu)在PCM里面應(yīng)用較少，在一些負(fù)載開關(guān)以及通信系統(tǒng)的熱插拔電路中，才有使用。
圖11：功率MOSFET源極背靠背連接?1. 3 高端、漏極背靠背的工作原理
充、放電管理的二顆N溝道的功率MOSFET放在電源端，也就是高端，漏極背靠背連接在一起，也是是PCM常用的方案之一，如圖12所示。其中，Q1為電池放電的功率MOSFET，Q2為電池充電的功率MOSFET。
N溝道的二顆功率MOSFET放在高端，MOSFET開通時，柵極G的電壓要高于源極S的電壓，源極S的電壓為輸入電源電壓，因此，需要二個的充電泵，疊加在輸入電源電壓（MOSFET的源極S）上，對它們進(jìn)行浮驅(qū)。
圖12：功率MOSFETFE放在高端，漏極背靠背?1.4 高端、源極背靠背的工作原理
充、放電管理的二顆N溝道的功率MOSFET放在電源端，也就是高端，源極背靠背連接在一起，如圖13所示。N溝道的二顆功率MOSFET共源極，因此，只需要一個的充電泵，就可以對它們進(jìn)行浮驅(qū)，這種結(jié)構(gòu)應(yīng)用于一些負(fù)載開關(guān)，如筆記本電腦內(nèi)部輸入電源電壓的負(fù)載開關(guān)。
圖13：功率MOSFETFE放在高端，源極背靠背?2、大電流多管并聯(lián)
目前，為了提高電子系統(tǒng)的使用時間和待機(jī)時間，電池的容量越來越大，如3000mAh到5000mAh，甚至更大，為了縮短充電時間，提高充電的速度，通常使用快充，也就是使用更大的充電電流，如4A、5A、6A，甚至高到8A，對電池充電，這樣PCM內(nèi)部功率MOSFET的功耗非常大，溫度非常高。為了降低功率MOSFET的溫升，滿足熱設(shè)計的要求，保證功率MOSFET可靠運(yùn)行，就會使用二個或多個功率MOSFET并聯(lián)工作，如圖14所示。
圖14：大電流多管并聯(lián)?3、冗余設(shè)計
根據(jù)安規(guī)LPS要求，如果PCM內(nèi)部的功率MOSFET發(fā)生損壞而短路，那么接上充電器，輸入電壓直接加在電池上，可能發(fā)生危險。為了提高系統(tǒng)的安全，可以再串聯(lián)一組背靠背的功率MOSFET，或使用其他的方案，形成冗余設(shè)計，當(dāng)一級保護(hù)失效后，還有另一級保護(hù)，如圖15、圖16、圖17、圖18所示。
圖15：二組功率MOSFET，一組放在高端，一組放在低端
圖16：二組功率MOSFET放在低端
圖17：功率MOSFET放在高端，電子保險絲
圖18：功率MOSFET放在低端，電子保險絲
-- 未完待續(xù)，第二部內(nèi)容見下期。
吸鐵石，鋼鞭和金锏
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