單節(jié)鋰電池保護(hù)解決方案(1)

CSS-1---單節(jié)電池保護(hù)解決方案

引言：功率MOSFET需要串聯(lián)連接在鋰離子電池組和輸出負(fù)載之間，同時(shí)專用鋰電池保護(hù)IC用于控制MOSFET的導(dǎo)通和關(guān)斷，以管理電池的充電和放電。 在諸如手機(jī)、筆記本電腦等消費(fèi)電子系統(tǒng)中，具有控制IC、功率MOSFET和其他電子部件的完整電路系統(tǒng)稱為保護(hù)電路模塊（PCM）。

1.背靠背連接的功率MOS

如圖1-1所示，在PCM中一個(gè)功率MOSFET用于充電，另一個(gè)用于放電。 功率MOSFET以兩種配置背靠背串聯(lián)連接：一種配置是兩個(gè)功率MOSFET漏極D連接在一起。 在第二種配置中，兩個(gè)功率MOSFET源極S連接在一起（傳送門：SCD-4：如何用雙MOS設(shè)計(jì)分立式負(fù)載開關(guān)？ ）。 此外還有有兩種方法可以將功率MOSFET與電池串聯(lián)：一種方法是將其放置在電池的負(fù)端，稱為“接地端”或低側(cè)； 另一種是將其放置在電池的正極，稱為高壓側(cè)。 兩種不同的功率MOSFET背對背連接模式及其不同的放置方式有其各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，對應(yīng)于不同的系統(tǒng)要求。

圖1-1：背靠背共漏NMOS配置電池保護(hù)板電路簡圖

PCM需要低導(dǎo)通電阻MOSFET，因此通常使用N溝道功率MOSFET。 由于驅(qū)動簡單靈活，一些應(yīng)用在正端的也會使用P溝道MOSFET。 但是P溝道MOSFET的導(dǎo)通電阻要相對高于N溝道MOSFET，價(jià)格也偏高，并且選擇也受到限制。

2. 工作原理

如圖1-2，用于管理充電和放電的兩個(gè)N溝道功率MOSFET位于接地端，漏極背靠背連接，這是PCM的常見方案之一。 在該配置中，Q1是用于電池放電的功率MOSFET，Q2是用于電池充電的功率MOSFET，B+是電池的正極，B-是電池的負(fù)極，P+是電池組的正極，P-是電池組負(fù)極，VSS是電池保護(hù)管理IC的接地，電池的負(fù)極，VSS和Q1的源極連接在一起。 在PCM板工作之前，Q1、Q2均關(guān)閉。

圖1-2：功率MOSFET接地端和漏極背靠背電路圖

充電

充電時(shí)，控制IC向充電功率MOSFET（Q2）的柵極提供驅(qū)動信號CO，Q2柵極的驅(qū)動信號路徑為：外部充電電路的正端→P+→B+→R1→VDD→CO→Q2源極→P-→外部充電電路的負(fù)端。 完整的驅(qū)動回路如圖1-3所示：

圖1-3：充電時(shí)Q2門的驅(qū)動信號回路

當(dāng)Q2打開時(shí)，充電電流路徑為：P+→B+→B-→Q1內(nèi)部寄生二極管→Q2通道→P-。 然后，可以如圖1-4所示對電池進(jìn)行充電。

圖1-4：當(dāng)Q2打開時(shí)的充電回路

為了減少Q(mào)2導(dǎo)通時(shí)Q1的損耗，控制IC的DO引腳被拉高以使放電功率MOSFET Q1導(dǎo)通。 由于Q1的低RDSON，其導(dǎo)通損耗遠(yuǎn)低于寄生二極管的導(dǎo)通損耗，并且可以提高充電效率。 Q1的電流驅(qū)動路徑為：VDD→DO→Q1柵極→Q1源極→B-→VSS，如圖1-5所示：

圖1-5：充電期間，當(dāng)Q2打開時(shí)，DO輸出Q1驅(qū)動信號環(huán)路

當(dāng)Q2和Q1同時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，充電電流路徑為：P+→B+→B-→Q1通道→Q2通道→P-，如圖1-6所示：

圖1-6：當(dāng)Q1和Q2打開時(shí)的充電回路

放電：

放電時(shí)，控制IC向放電功率MOSFET（Q1）的柵極提供驅(qū)動信號DO，Q1的柵極驅(qū)動信號路徑為：VDD→DO（驅(qū)動器輸出）→Q1柵極→Q1源極→B-→VSS，如圖1-7所示：

圖1-7：DO輸出Q1的放電、驅(qū)動信號回路

當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)，放電電流路徑為：P-→Q2內(nèi)部寄生二極管→Q1通道→B-→B+→P+。 然后電池可以放電，如圖1-8所示：

圖1-8：Q1接通時(shí)的放電回路

為了減少Q(mào)2的損耗，當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)，控制IC向充電功率MOSFET Q2的柵極提供驅(qū)動信號CO，從而使Q2導(dǎo)通。 由于Q2的低導(dǎo)通電阻，導(dǎo)通損耗遠(yuǎn)低于寄生二極管的導(dǎo)通損耗，從而提高電池使用時(shí)間。 Q2驅(qū)動電流的路徑為：VDD→CO→Q2柵極→Q2源極→Q2內(nèi)部寄生二極管→Q1通道→B-→VSS，如圖1-9所示：

圖1-9：CO輸出Q2的放電、驅(qū)動信號回路

Q1和Q2同時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)，放電電流的路徑為：P-→Q2通道→Q1通道→B-→B+→P+，如圖1-10所示：

圖1-10：Q1和Q2上的放電回路