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[导读]在这篇文章中,我们将研究 MOSFET 用于电池保护。 每年,越来越多的电子设备由包含锂离子 (Li ion) 电池的电池供电。高功率密度、低自放电率和易于充电使其成为几乎所有便携式电子产品的首选电池类型——如今,从口袋里的手机到每天数以百万计开车上班的电动汽车,应有尽有由锂离子电池供电。尽管它们具有许多优点,但这些电池也带来了一定的风险和设计挑战,如果不成功缓解这些风险和设计挑战,可能会导致灾难性的后果。我认为没有人会很快忘记 2016 年爆炸性的 Galaxy S7 设备平板电脑和随后的召回。

在这篇文章中,我们将研究 MOSFET 用于电池保护

每年,越来越多的电子设备由包含锂离子 (Li ion) 电池的电池供电。高功率密度、低自放电率和易于充电使其成为几乎所有便携式电子产品的首选电池类型——如今,从口袋里的手机到每天数以百万计开车上班的电动汽车,应有尽有由锂离子电池供电。尽管它们具有许多优点,但这些电池也带来了一定的风险和设计挑战,如果不成功缓解这些风险和设计挑战,可能会导致灾难性的后果。我认为没有人会很快忘记 2016 年爆炸性的 Galaxy S7 设备平板电脑和随后的召回。

降低此类破坏性事件风险的一种常见方法是将 MOSFET 放置在充电和放电路径中,当电池电压被认为是外部电路时,它可以切断电池与末端电路中其他电子设备之间的电气连接。指定的安全范围,或 IC 在充电或放电期间检测到过电流浪涌(参见图 1)。

 

1:简化的单节锂离子电池保护电路

因为这不是一个快速开关应用,所以我们实际上只需要考虑最坏情况下的传导损耗,这使得 MOSFET 的选择标准类似于负载开关的选择标准。但是有一些独特的考虑值得单独讨论,以突出那些特定于电池保护的警告。

因为电池保护 MOSFET 既可以完全增强并持续传导电流,也可以完全关闭以断开电池电压与其他电子设备的连接,因此在考虑用于此应用的 FET 时,我们几乎可以忽略开关参数。相反,就像根据电流处理能力选择负载开关 FET 时一样,电阻和封装类型是两个最重要的考虑因素。考虑到这一点,将电池保护分解为不同类型的终端设备所需的三层电流并分析用于每层的 FET 类型是有意义的。

第一层是使用一到两个电池运行的低功耗个人电子产品,例如手机、平板电脑、智能手表或个人健康追踪器。这些设备在充电和放电时消耗的电流量可高达几安培或低至几百毫安。众所周知,个人电子产品设计师在每一代产品中都在不断努力减小产品的尺寸(和重量),因此他们选择 FET 进行电池保护的标准是尽可能小,同时仍能够处理最大充电和放电电流。有时这意味着像 FemtoFET™ N 沟道 MOSFET 这样的芯片级器件是一个不错的选择。

由于 FET 在这些应用中经常背靠背放置,从而阻塞了充电和放电路径(如上图 1 所示),有时将两个器件集成到一个采用公共漏极配置的单一封装中是最节省空间的解决方案(图 2 )。TI 拥有大量集成背靠背器件,提供芯片级封装和小型四方扁平无引线 (QFN) SON3x3 塑料封装。

 

2:集成到单个封装中的通用漏极配置 FET 示意图

第二类电池供电设备是多节手持式无绳电动工具,如电钻、修剪器、小锯和家用电器,如机器人真空吸尘器。这些设备仍然对尺寸敏感,但以相当高的电流为电池充电,通常高于 10A。因此,设计人员通常使用电阻最低的 D2PAK、TO-220 或某些情况下的 QFN 封装。必要时可以并行使用多个设备,特别是对于电锯和绿篱修剪机等大型工具,但将 FET 的数量保持在最低限度以保持较小的外形尺寸仍然很重要。与电机控制 FET 一样,给定封装中电阻最低的器件通常更可取。否则你会选择一个更小的包。

第三层最高功率的电池充电应用是电动汽车,如电动自行车、电动踏板车,甚至电动汽车和公共汽车。在这一点上,电流和功率水平可能很大(数百安培,几千瓦的功率),并且确实没有办法将多个 FET 并联用于充电和放电路径。我见过设计人员在大型电路板上并联数十个 FET,通常使用 D2PAK、散热器安装的 TO-220 或其他热增强封装器件(图 3)。除了设计较小的电动自行车外,尺寸通常不是问题,电流处理能力是游戏的名称。再一次,这意味着只选择电阻最低的 FET。所需的 FET 数量是电阻、最高环境温度以及作为孔的电路板和系统的热阻抗的函数。

 

3:数十个 D2PAK FET 并联在大型 PCB 上,用于电动汽车电池的充电和放电

关于在电动汽车中使用电池保护 FET 的最后一点说明——确定最终应用是否需要 Q101 级 FET 至关重要。Q101 是来自汽车电子委员会的汽车认证等级(集成电路的 Q100 分立等效物),它对质量和可靠性的要求比商业级设备的强制性要求要严格得多。我们的设备是否需要 Q-101 认证取决于最终应用和许多其他因素,从客户标准到车辆运营所在国家/地区的法律。

电动自行车和电动滑板车通常不太可能需要 Q-101,但情况并非总是如此。最好在围绕无法放入最终终端设备的 FET 构建设计之前找出这一点。TI 在其产品组合中不提供任何符合汽车标准的 FET,因此如果有此要求,我们 FET 解决方案将不得不来自其他地方。


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