CSS-3---單節(jié)電池保護(hù)解決方案

引言：前面兩節(jié)分別介紹了PCM的幾種方案，本節(jié)聚焦于PCM的性能評(píng)估以及可能遇到的問題優(yōu)化。

1. 功率MOSFET的性能要求

離子電池容量從早期的600mAh、1000mAh到現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到6000mAh、10000mAh。 為了實(shí)現(xiàn)更快的充電速度和更短的充電時(shí)間，通常采用增加電流和大電流充電的快充技術(shù)。 大電流充電對(duì)電池組中的功率MOSFET提出了更高的技術(shù)要求。

此外在生產(chǎn)線和使用過程中，對(duì)大容量鋰離子電池有一些特定的技術(shù)要求。 所有這些因素都對(duì)大容量鋰離子電池PCM中功率MOSFET的充放電管理提出了嚴(yán)格的技術(shù)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

為了實(shí)現(xiàn)功率MOSFET的低導(dǎo)通電阻RDSon，有必要提高M(jìn)OSFET單元密度。 其他技術(shù)也用于降低電阻，例如厚金屬鍵合線和薄晶片。 N溝道功率MOSFET可以以減小的形狀因數(shù)實(shí)現(xiàn)較低的導(dǎo)通電阻RDSon。

功率MOSFET封裝通常使用引線，為了進(jìn)一步降低導(dǎo)通電阻，在PCM中通過使用新的芯片級(jí)CSP封裝技術(shù)完全消除了封裝線電阻。 同時(shí)芯片級(jí)CSP的封裝技術(shù)具有更好的導(dǎo)熱性，從而降低功率MOSFET的溫升，這有助于提高其可靠性。

使用CSP封裝技術(shù)的功率MOSFET在沒有外部塑料外殼和其他材料保護(hù)的情況下，在PCM生產(chǎn)過程中會(huì)受到各種熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力的影響，例如PCB板的焊接過程，這可能會(huì)導(dǎo)致模具開裂的高風(fēng)險(xiǎn)。 因此應(yīng)使用各種技術(shù)，例如在功率MOSFET芯片表面涂覆新材料，以確保其抵抗機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力的能力，并提高可靠性。

短路能力

大容量鋰離子電池在應(yīng)用中，特別是在極端條件下，如輸出負(fù)載短路，會(huì)有非常大的電流通過電池。 當(dāng)IC檢測(cè)到輸出過流時(shí)，它將延遲一段時(shí)間以進(jìn)行保護(hù)動(dòng)作。 在延遲時(shí)間期間，MOSFET的工作電流非常大，這要求MOSFET對(duì)大電流應(yīng)力具有魯棒性，因此所有鋰離子電池都需要進(jìn)行短路測(cè)試。

理論上芯片尺寸越大，對(duì)短路電流的魯棒性越強(qiáng)。然而隨著形狀因素的減小，性能將受到限制。因此應(yīng)用電路設(shè)計(jì)需要記住確保魯棒設(shè)計(jì)以抵抗大短路電流的影響所需的要求。

雪崩魯棒性

當(dāng)電池組的輸出端短路且開關(guān)關(guān)閉時(shí)，MOSFET雪崩能力非常重要。功率MOSFET的選擇應(yīng)包括根據(jù)應(yīng)用條件確定的足夠雪崩能力。

dv/dt保護(hù)

在反向連接測(cè)試期間，每個(gè)電池的最大工作電壓為4.4V，最大充電電壓也為4.4V。當(dāng)充電器反向連接到電池組時(shí)，MOSFET承受8.8V的電壓應(yīng)力。在大容量鋰離子電池的生產(chǎn)過程中，外部直流電源在測(cè)試過程中會(huì)直接接觸電池組的兩個(gè)輸出端。因此MOSFET會(huì)承受8.8V高dv/dt電壓應(yīng)力。

圖3-1：高電壓應(yīng)力模型

如果MOSFET在漏極到源極之間經(jīng)歷高dv/dt，如圖3-1模型，寄生電容CDS將具有I＝CDSdv/dt的充電電流。如果電流足夠大，它將觸發(fā)寄生NPN雙極導(dǎo)通，MOSFET很容易損壞，如圖3-2所示。

圖3-2：高dv/dt雙極導(dǎo)通圖

為了避免損壞電路，直接接觸的電壓越高，電池組的魯棒性越強(qiáng)。該測(cè)試是MOSFET對(duì)dv/dt公差的實(shí)際測(cè)量。通常在電池組輸出短路和保護(hù)關(guān)閉的過程中也會(huì)產(chǎn)生較大的動(dòng)態(tài)dv/dt。過高的dv/dt將對(duì)功率MOSFET造成動(dòng)態(tài)雪崩損壞。因此有必要優(yōu)化功率MOSFET的結(jié)構(gòu)，以確保其對(duì)直接接觸高電壓和高dv/dt具有足夠的耐受力。

在正常環(huán)境溫度下，MOSFET的溫度通常不超過65°C。PCM控制板通常與電池組裝在一起，PCB尺寸是一個(gè)限制因素，通常具有較高的熱阻。因此可能需要對(duì)系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)進(jìn)行特殊考慮。

例如47W的手機(jī)快速充電器的充電電壓為5V，最大充電電流為9.4A。典型RDSON約為0.8mΩ，需要并聯(lián)兩枚以進(jìn)一步降低電阻。電流路徑在板的頂部和底部之間是對(duì)稱的，以保持電流平衡。建議兩個(gè)MOSFET之間的距離不小于3mm，以避免彼此發(fā)熱影響。最大化功率路徑的銅面積并在MOSFET附近的銅焊盤上添加一些用于散熱的通孔是提高散熱能力和降低MOSFET溫度升高的良好設(shè)計(jì)。

2. 輸出泄漏電流

在電池組生產(chǎn)過程中，即使充電MOSFET和放電MOSFET都關(guān)閉，當(dāng)電池電壓施加在MOSFET上時(shí)，有時(shí)仍會(huì)通過MOSFET產(chǎn)生輸出泄漏電流。通常泄漏電流非常小，對(duì)系統(tǒng)沒有影響。如果泄漏電流更高，高達(dá)100nA，仍在數(shù)據(jù)表的限制范圍內(nèi)，則該泄漏電流將在輸出阻抗上具有一定的電壓。

通常輸出阻抗約為10MΩ，電壓等于輸出阻抗和泄漏電流的乘積。在上述條件下，輸出電壓為1V，100nA*10MΩ。當(dāng)輸出電壓在P+和P-之間高于0.8V時(shí)，有的保護(hù)IC將判斷有充電電壓施加在P+端，充電MOSFET將試圖打開電池充電IC的預(yù)充電功能。這就會(huì)造成IC開始工作，增加電池的靜態(tài)功率損失，在嚴(yán)重情況下，電池將耗盡電量。

圖3-3：高側(cè)共漏連接

通常，數(shù)據(jù)表中30V MOSFET的IDSS小于1μA。在實(shí)際的筆記本電池應(yīng)用中，電池電壓通常在9V到13.2V之間。在13.2V的電池電壓下，放電MOSFET的漏電流IDSS是否高于100nA是未知的。

3. 避免輸出漏電流的解決方案

在實(shí)際系統(tǒng)中，電池的輸出端子連接到主板，主板包括電容器、電阻器和許多其他設(shè)備，這些部件可能會(huì)產(chǎn)生一定的泄漏電流。主板電池接口的測(cè)量阻抗通常小于1MΩ。連接電池組后，通過1MΩ阻抗的上述泄漏電流不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)任何問題。在制造步驟的任何階段，當(dāng)電池組未連接到主板時(shí)，有兩種解決方案可以避免輸出泄漏電流的影響。

解決方案A：建議將1MΩ電阻器與電池組P+和P-的輸出端子并聯(lián)，如圖3-4所示。在測(cè)試實(shí)際使用效果后，可以有效地消除該泄露問題。

圖3-4：并聯(lián)輸出電阻器

在添加1MΩ電阻器后，泄漏電流導(dǎo)致的P+端子電壓將降至0.46V，并且MOSFET不再會(huì)被電池保護(hù)IC誤判導(dǎo)通。但是放置此電阻器的缺點(diǎn)是會(huì)導(dǎo)致電池輕微放電。例如如果通過該電阻器的漏電流為0.46μA=0.46V/1M，在電池組存儲(chǔ)十年期間，電阻器消耗的總能量等于0.46μA24小時(shí)365天*10年=40.3mA*小時(shí)。它僅小于筆記本電腦正常4100mA*小時(shí)電池能量的1%，這是可以接受的。輸出1MΩ放電電阻器也可以放置在電池組生產(chǎn)線的測(cè)試站上。

解決方案B：建議將IC內(nèi)部預(yù)充電功能的P+端子電壓檢測(cè)值從單個(gè)電池的0.8V增加到2V，并將串聯(lián)的三個(gè)電池單元的檢測(cè)值增加到6V，這樣一來即使泄漏電流較大，系統(tǒng)也可以保持正常。