以下文章來源于PSD功率系統(tǒng)設計 ，作者Song Liu

功率MOSFET串聯(lián)在鋰離子電池組內部和輸出負載之間

功率MOSFET需要在鋰離子電池組內部和輸出負載之間串聯(lián)。同時，專用IC用于控制MOSFET的開啟和關閉，以管理電池的充放電，如圖1所示。在消費類電子系統(tǒng)中，如手機、筆記本電腦等，帶有控制IC、功率MOSFET和其他電子元件的電路系統(tǒng)稱為保護電路模塊PCM。

圖1：蓄電池保護板電路圖

在PCM中，一個功率MOSFET用于充電，另一個用于放電。功率MOSFET以兩種配置背靠背串聯(lián)連接。一種配置是兩個功率MOSFET漏極連接。在第二種配置中，連接兩個功率MOSFET源。此外，有兩種方法將功率MOSFET與電池串聯(lián)。一種方法是將其放置在電池的負極，稱為“接地端”或低壓側；另一種方法是將其放置在電池的正極端，稱為高壓側。兩種不同的功率MOSFET背靠背連接模式及其不同的放置方式各有優(yōu)缺點，對應于不同的系統(tǒng)要求。

PCM需要低導通電阻MOSFET，因此通常使用N溝道功率MOSFET。由于驅動簡單靈活，一些應用在正極端使用P溝道MOSFET。然而，P溝道MOSFET的導通電阻相對高于N溝道MOSFET，選擇也受到限制。

功率MOSFET背靠背連接

工作原理

兩個用于管理充電和放電的N溝道功率MOSFET放置在接地端，漏極背靠背連接，這是PCM的常見方案之一，如圖2所示。其中，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-是電池的負極，P+是電池組的正極，P-是電池組的負極，VSS是電池保護管理IC的接地，即電池的負極，VSS和Q1的電源連接。在PCM板工作之前，Q1和Q2都關閉。

(1)充電

充電時，控制IC柵極向充電功率MOSFET（Q2）提供驅動信號CO，Q2柵極的驅動信號路徑為：外部充電電路的正端→ P+→B+→R1→VDD→CO→Q2源 →P-→外部充電電路的負極。當Q2接通時，充電電流路徑為：P+→B+→B-→Q1內部寄生二極管→Q2通道→P-。然后可以對電池充電，如圖2所示。

圖2：Q2接通時的充電回路

為了減少Q1的損耗，當Q2開啟時，將控制IC的DO引腳拉高，以使放電功率MOSFET Q1開啟。由于Q1的RDS(ON)較低，其傳導損耗遠低于寄生二極管，充電效率可以提高。當Q2和Q1同時處于on狀態(tài)時，充電電流路徑為：P+?B+? B-?Q1通道?Q2通道?P-。

(2)放電

放電時，控制IC向放電功率MOSFET（Q1）提供柵極驅動信號DO，Q1的柵極驅動信號路徑為：VDD?DO（驅動器輸出）?Q1柵?Q1源?B-?VSS。

當Q1為on時，放電電流路徑為：P→Q2內部寄生二極管→Q1通道→B-→B+→P+。然后可以對電池進行放電，如圖3所示。

圖3：Q1開啟時的放電回路

為了減少Q2的損耗，當Q1開啟時，控制IC向充電功率MOSFET Q2提供柵極驅動信號CO，從而開啟Q2。Q1和Q2同時處于開啟狀態(tài)。

功率MOSFET的性能要求

離子電池的容量從早期的600mAh、1000mAh，到現(xiàn)在已經達到6000mAh、10000mAh。為了實現(xiàn)更快的充電速度和更短的充電時間，通常采用增加電流和大電流充電的快速充電技術。那么，大電流充電對電池組中的功率MOSFET提出了更高的技術要求。此外，生產線和使用過程中對大容量鋰離子電池有一些具體的技術要求。

功率密度高，功耗低，散熱良好

大容量鋰離子電池組設計的基本要求是盡可能提高電池的容量。因此，功率MOSFET需要更小的尺寸，在一定的尺寸限制下，如1.2mm*1.2mm，具有最小的導通電阻RDS(ON)。為了在較小的芯片尺寸中實現(xiàn)較低的RD（ON），設計主要從晶圓技術和封裝技術進行優(yōu)化。有必要提高MOSFET單元密度。

在PCM中，通過使用新的芯片級CSP封裝技術，完全消除了封裝導線電阻。

短路能力

大容量鋰離子電池在應用中，特別是在極端條件下，如輸出負載短路，有非常大的電流通過電池。當集成電路檢測到輸出過電流時，它將延遲一段時間以進行保護動作。在延遲時間內，MOSFET的工作電流非常大，這要求MOSFET對大電流應力具有魯棒性。因此，所有鋰離子電池都需要進行短路測試。

理論上，芯片尺寸越大，對短路電流的魯棒性越強。然而，隨著形狀尺寸變小的趨勢，性能將受到限制。因此，應用電路設計需要牢記確保穩(wěn)健設計以抵抗大短路電流影響所需的要求。

雪崩穩(wěn)健性

當電池組的輸出端短路且開關關閉時，MOSFET雪崩能力很重要。功率MOSFET的選擇應包括由應用條件確定的足夠雪崩能力。

印刷電路板和熱設計要點

在正常環(huán)境溫度下，MOSFET的溫度通常不超過65℃。PCM控制板通常與電池組裝在一起，PCB尺寸是一個限制因素，通常具有較高的熱阻。因此，在系統(tǒng)的熱設計中可能需要特殊考慮。電流路徑在電路板頂部到底部之間對稱，以保持電流平衡。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通孔進行散熱，是提高散熱能力和降低MOSFET溫升的良好設計技巧。

圖4：散熱器：孔徑12密耳，間距25密耳

所有這些因素對大容量鋰離子電池組中功率MOSFET的充放電管理提出了嚴格的技術設計挑戰(zhàn)。AOS為電池組應用提供了廣泛的高功率密度MOSFET產品。AOS最新的AOCA33102和AOCR36330適用于具有超低RDS(ON)和新型芯片級CSP封裝的手機快速充電應用，這有助于降低功率MOSFET的溫升并提高其可靠性。

作者Song Liu是Alpha and Omega Semiconductor分立產品高級應用工程師；Neil Zhang是Alpha and Omega Semiconductor分立產品應用工程師