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  • MOSFET-電池充電器的反向電壓保護介紹
    • 發(fā)布時間:2022-04-08 19:01:05
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    MOSFET-電池充電器的反向電壓保護介紹
    處理電源電壓反轉(zhuǎn)有幾種眾所周知的方法。最明顯的方法是在電源和負載之間連接一個二極管,但是由于二極管正向電壓的原因,這種做法會產(chǎn)生額外的功耗。
    雖然該方法很簡潔,但是二極管在便攜式或備份應用中是不起作用的,因為電池在充電時必須吸收電流,而在不充電時則須供應電流。另一種方法是使用圖1所示的 MOSFET 電路之一。
    對于負載側(cè)電路而言,這種方法比使用二極管更好,因為電源 (電池) 電壓增強了 MOSFET,因而產(chǎn)生了更少的壓降和實質(zhì)上更高的電導。該電路的 NMOS 版本比 PMOS 版本更好,因為分立式 NMOS 晶體管導電率更高、成本更低且可用性更好。
    在這兩種電路中,MOSFET 都是在電池電壓為正時導通,電池電壓反轉(zhuǎn)時則斷開連接。MOSFET 的物理“漏極”變成了電源,因為它在 PMOS 版本中是較高的電位,而在 NMOS 版本中則是較低的電位。
    由于 MOSFET 在三極管區(qū)域中是電對稱的,因此它們在兩個方向上都能很好地傳導電流。采用此方法時,晶體管必須具有高于電池電壓的最大 VGS 和 VDS 額定值。
    NMOS 電池充電器 反向電壓
    遺憾的是,這種方法僅對負載側(cè)電路有效,無法配合能夠給電池充電的電路工作。電池充電器將產(chǎn)生電源,重新啟用 MOSFET 并重新建立至反向電池的連接。圖2展示了采用 NMOS 版本的一個實例,圖中所示的電池處于故障狀態(tài)。
    NMOS 電池充電器 反向電壓
    當電池接入時,電池充電器處于閑置狀態(tài),負載和電池充電器與反向電池安全去耦。然而,如果充電器變至運行狀態(tài) (例如:附聯(lián)了輸入電源連接器),則充電器在 NMOS 的柵極和源極之間產(chǎn)生一個電壓,這增強了 NMOS,從而實現(xiàn)電流傳導。這一點在圖3中更形象。
    NMOS 電池充電器 反向電壓
    負載和充電器雖與反向電壓隔離,但是起保護作用的 MOSFET 現(xiàn)在面臨的一大問題是功耗過高。在這種情況下,電池充電器變成了一個電池放電器。當電池充電器為 MOSFET 提供了足夠的柵極支持以吸收由充電器輸送的電流時,該電路將達到平衡。
    例如,如果一個強大 MOSFET 的 VTH 約為 2V,而且充電器能夠在 2V 電壓下提供電流,則電池充電器輸出電壓將穩(wěn)定在 2V (MOSFET 的漏極處在 2V + 電池電壓)。
    MOSFET 中的功耗為 ICHARGE ? (VTH + VBAT),因而使 MOSFET 升溫發(fā)熱,直到產(chǎn)生的熱量散逸離開印刷電路板。該電路的 PMOS 版本也是一樣。下面將介紹該方法的兩種替代方案,這些替代方案各有優(yōu)缺點。
    一、N 溝道 MOSFET 設計
    NMOS 電池充電器 反向電壓
    第一種方案采用一個 NMOS 隔離器件,如圖4所示。該電路的算法是:如果電池電壓超過了電池充電器輸出電壓,則必須停用隔離 MOSFET。
    如同上述的 NMOS 方法一樣,在該電路中,MN1 連接在介于充電器/負載和電池端子之間接線的低壓側(cè)。
    然而,晶體管 MP1 和 Q1 現(xiàn)在提供了一個檢測電路,該電路在電池反接的情況下將停用 MN1。反接電池將 MP1 的源極升舉至高于其連接至充電器正端子的柵極。接著,MP1 的漏極通過 R1 將電流輸送至 Q1 的基極。
    然后,Q1 將 MN1 的柵極分流至地,防止充電電流在 MN1 中流動。R1 負責控制在反向檢測期間流到 Q1 的基極電流,而 R2 則在正常操作中為 Q1 的基極提供泄放。R3 賦予了 Q1 將 MN1 的柵極拉至地電位的權(quán)限。R3/R4 分壓器限制 MN1 柵極上的電壓,這樣柵極電壓在反向電池熱插拔期間不必下降那么多。
    最壞情況是電池充電器已經(jīng)處于運行狀態(tài)、產(chǎn)生其恒定電壓電平,附聯(lián)了一個反接電池時。在這種情況下,必需盡可能快地關(guān)斷 MN1,以限制消耗高功率的時間。
    該電路帶有 R3 和 R4 的這一特殊版本最適合 12V 鉛酸電池應用,但是在單節(jié)和兩節(jié)鋰離子電池產(chǎn)品等較低電壓應用中,可以免除 R4。
    電容器 C1 提供了一個超快速充電泵,以在反向電池附聯(lián)期間下拉 MN1 的柵極電平。對于最差情形 (附聯(lián)一個反向電池時充電器已使能的狀況再次出現(xiàn)),C1 非常有用。
    該電路的缺點是需要額外的組件,R3/R4 分壓器在電池上產(chǎn)生了一個雖然很小、但卻是持續(xù)的負載。
    此類組件大多是纖巧的。MP1 和 Q1 不是功率器件,而且通常可采用 SOT23-3、SC70-3 或更小的封裝。MN1 應具有非常優(yōu)良的導電性,因為它是傳輸器件,但是尺寸不必很大。
    由于它在深三極管區(qū)工作,并且得到了大幅的柵極強化,因此其功耗即使對于導電性中等的器件來說也很低。例如,100m? 以下的晶體管也經(jīng)常采用 SOT23-3 封裝。
    不過,采用一個小傳輸晶體管的缺點是:與電池充電器串聯(lián)的額外阻抗延長了恒定電壓充電階段的充電時間。例如,如果電池及其配線具有 100m? 的等效串聯(lián)電阻,并且采用了一個 100m? 的隔離晶體管,那么恒定電壓充電階段中的充電時間將加倍。
    MP1 和 Q1 組成的檢測和停用電路停用MN1 的速度不是特別快,而且它們無須如此。雖然 MN1 在反向電池附聯(lián)期間產(chǎn)生高功耗,但是關(guān)斷電路只需“在最后”斷開 MN1 連接。
    它必需在 MN1 升溫幅度大到導致受損之前斷開 MN1 連接。幾十微秒的斷開連接時間可能比較適合。
    另一方面,在反接電池有機會將充電器和負載電壓拉至負值之前停用 MN1 至關(guān)重要,因而需要采用 C1。基本上,該電路具有一條 AC 和一條 DC 停用路徑。
    NMOS 電池充電器 反向電壓
    用一個鉛酸電池和 LTC4015 電池充電器對此電路進行了測試。如圖5所示,當反向電池熱插拔時電池充電器處于 OFF 狀態(tài)。反向電壓不會被傳送至充電器和負載。
    值得注意的是,MN1 需要一個等于電池電壓的 VDS 額定值和一個等于 1/2 電池電壓的 VGS 額定值。MP1 需要一個等于電池電壓的 VDS 和 VGS 額定值。
    圖6顯示了一種更加嚴重的情況,就是在反向電池進行熱插拔時電池充電器已處于正常運行狀態(tài)。電池反接將下拉充電器側(cè)電壓,直到檢測和保護電路使其脫離運行狀態(tài),從而讓充電器安全返回至其恒定電壓電平。
    動態(tài)特性將因應用而異,而電池充電器上的電容將對最終結(jié)果起到很大的作用。在該測試中,電池充電器兼具一個高 Q 值陶瓷電容器和一個 Q 值較低的聚合物電容器。
    NMOS 電池充電器 反向電壓
    總之,建議在電池充電器上采用鋁聚合物電容器和鋁電解電容器,以改善正常的正向電池熱插拔期間的性能。由于極度的非線性,純陶瓷電容器會在熱插拔期間產(chǎn)生過高的過沖,背后的原因是:當電壓從 0V 升至額定電壓時,其電容的降幅可達驚人的 80%。
    這種非線性在低電壓條件下激發(fā)高電流的流動,而當電壓上升時則使電容快速遞減;這是一種導致非常高電壓過沖的致命組合。憑經(jīng)驗,一個陶瓷電容器與一個較低 Q 值、電壓穩(wěn)定的鋁電容器甚至鉭電容器的組合似乎是最穩(wěn)健的組合形式。
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