单节锂电池保护解决方案(1)

CSS-1---单节电池保护解决方案

引言：功率MOSFET需要串联连接在锂离子电池组和输出负载之间，同时专用锂电池保护IC用于控制MOSFET的导通和关断，以管理电池的充电和放电。 在诸如手机、笔记本电脑等消费电子系统中，具有控制IC、功率MOSFET和其他电子部件的完整电路系统称为保护电路模块（PCM）。

1.背靠背连接的功率MOS

如图1-1所示，在PCM中一个功率MOSFET用于充电，另一个用于放电。 功率MOSFET以两种配置背靠背串联连接：一种配置是两个功率MOSFET漏极D连接在一起。 在第二种配置中，两个功率MOSFET源极S连接在一起（传送门：SCD-4：如何用双MOS设计分立式负载开关？ ）。 此外还有有两种方法可以将功率MOSFET与电池串联：一种方法是将其放置在电池的负端，称为“接地端”或低侧； 另一种是将其放置在电池的正极，称为高压侧。 两种不同的功率MOSFET背对背连接模式及其不同的放置方式有其各自的优点和缺点，对应于不同的系统要求。

图1-1：背靠背共漏NMOS配置电池保护板电路简图

PCM需要低导通电阻MOSFET，因此通常使用N沟道功率MOSFET。 由于驱动简单灵活，一些应用在正端的也会使用P沟道MOSFET。 但是P沟道MOSFET的导通电阻要相对高于N沟道MOSFET，价格也偏高，并且选择也受到限制。

2. 工作原理

如图1-2，用于管理充电和放电的两个N沟道功率MOSFET位于接地端，漏极背靠背连接，这是PCM的常见方案之一。 在该配置中，Q1是用于电池放电的功率MOSFET，Q2是用于电池充电的功率MOSFET，B+是电池的正极，B-是电池的负极，P+是电池组的正极，P-是电池组负极，VSS是电池保护管理IC的接地，电池的负极，VSS和Q1的源极连接在一起。 在PCM板工作之前，Q1、Q2均关闭。

图1-2：功率MOSFET接地端和漏极背靠背电路图

充电

充电时，控制IC向充电功率MOSFET（Q2）的栅极提供驱动信号CO，Q2栅极的驱动信号路径为：外部充电电路的正端→P+→B+→R1→VDD→CO→Q2源极→P-→外部充电电路的负端。 完整的驱动回路如图1-3所示：

图1-3：充电时Q2门的驱动信号回路

当Q2打开时，充电电流路径为：P+→B+→B-→Q1内部寄生二极管→Q2通道→P-。 然后，可以如图1-4所示对电池进行充电。

图1-4：当Q2打开时的充电回路

为了减少Q2导通时Q1的损耗，控制IC的DO引脚被拉高以使放电功率MOSFET Q1导通。 由于Q1的低RDSON，其导通损耗远低于寄生二极管的导通损耗，并且可以提高充电效率。 Q1的电流驱动路径为：VDD→DO→Q1栅极→Q1源极→B-→VSS，如图1-5所示：

图1-5：充电期间，当Q2打开时，DO输出Q1驱动信号环路

当Q2和Q1同时处于导通状态时，充电电流路径为：P+→B+→B-→Q1通道→Q2通道→P-，如图1-6所示：

图1-6：当Q1和Q2打开时的充电回路

放电：

放电时，控制IC向放电功率MOSFET（Q1）的栅极提供驱动信号DO，Q1的栅极驱动信号路径为：VDD→DO（驱动器输出）→Q1栅极→Q1源极→B-→VSS，如图1-7所示：

图1-7：DO输出Q1的放电、驱动信号回路

当Q1导通时，放电电流路径为：P-→Q2内部寄生二极管→Q1通道→B-→B+→P+。 然后电池可以放电，如图1-8所示：

图1-8：Q1接通时的放电回路

为了减少Q2的损耗，当Q1导通时，控制IC向充电功率MOSFET Q2的栅极提供驱动信号CO，从而使Q2导通。 由于Q2的低导通电阻，导通损耗远低于寄生二极管的导通损耗，从而提高电池使用时间。 Q2驱动电流的路径为：VDD→CO→Q2栅极→Q2源极→Q2内部寄生二极管→Q1通道→B-→VSS，如图1-9所示：

图1-9：CO输出Q2的放电、驱动信号回路

Q1和Q2同时处于导通状态，放电电流的路径为：P-→Q2通道→Q1通道→B-→B+→P+，如图1-10所示：

图1-10：Q1和Q2上的放电回路