MOSFET-電池充電器的反向電壓保護(hù)-KIA MOS管

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(fù)載之間連接一個(gè)二極管，但是由于二極管正向電壓的原因，這種做法會(huì)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(yīng)用中是不起作用的，因?yàn)殡姵卦诔潆姇r(shí)必須吸收電流，而在不充電時(shí)則須供應(yīng)電流。另一種方法是使用圖1所示的 MOSFET 電路之一。

對(duì)于負(fù)載側(cè)電路而言，這種方法比使用二極管更好，因?yàn)殡娫?(電池) 電壓增強(qiáng)了 MOSFET，因而產(chǎn)生了更少的壓降和實(shí)質(zhì)上更高的電導(dǎo)。該電路的 NMOS 版本比 PMOS 版本更好，因?yàn)榉至⑹?NMOS 晶體管導(dǎo)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(shí)導(dǎo)通，電池電壓反轉(zhuǎn)時(shí)則斷開連接。MOSFET 的物理“漏極”變成了電源，因?yàn)樗?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(duì)稱的，因此它們?cè)趦蓚€(gè)方向上都能很好地傳導(dǎo)電流。采用此方法時(shí)，晶體管必須具有高于電池電壓的最大 VGS 和 VDS 額定值。

遺憾的是，這種方法僅對(duì)負(fù)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(gè)實(shí)例，圖中所示的電池處于故障狀態(tài)。

當(dāng)電池接入時(shí)，電池充電器處于閑置狀態(tài)，負(fù)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(yùn)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(gè)電壓，這增強(qiáng)了 NMOS，從而實(shí)現(xiàn)電流傳導(dǎo)。這一點(diǎn)在圖3中更形象。

負(fù)載和充電器雖與反向電壓隔離，但是起保護(hù)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(gè)電池放電器。當(dāng)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(shí)，該電路將達(dá)到平衡。

例如，如果一個(gè)強(qiáng)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(diǎn)。

一、N 溝道 MOSFET 設(shè)計(jì)

第一種方案采用一個(gè) 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(fù)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(gè)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(dòng)。R1 負(fù)責(zé)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?xùn)艠O電壓在反向電池?zé)岵灏纹陂g不必下降那么多。

最壞情況是電池充電器已經(jīng)處于運(yùn)行狀態(tài)、產(chǎn)生其恒定電壓電平，附聯(lián)了一個(gè)反接電池時(shí)。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(shí)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(yīng)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(yīng)用中，可以免除 R4。

電容器 C1 提供了一個(gè)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(duì)于最差情形 (附聯(lián)一個(gè)反向電池時(shí)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(diǎn)是需要額外的組件，R3/R4 分壓器在電池上產(chǎn)生了一個(gè)雖然很小、但卻是持續(xù)的負(fù)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(yīng)具有非常優(yōu)良的導(dǎo)電性，因?yàn)樗莻鬏斊骷浅叽绮槐睾艽蟆?/span>

由于它在深三極管區(qū)工作，并且得到了大幅的柵極強(qiáng)化，因此其功耗即使對(duì)于導(dǎo)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(gè)小傳輸晶體管的缺點(diǎn)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(shí)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(gè) 100m? 的隔離晶體管，那么恒定電壓充電階段中的充電時(shí)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(dǎo)致受損之前斷開 MN1 連接。幾十微秒的斷開連接時(shí)間可能比較適合。

另一方面，在反接電池有機(jī)會(huì)將充電器和負(fù)載電壓拉至負(fù)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。

用一個(gè)鉛酸電池和 LTC4015 電池充電器對(duì)此電路進(jìn)行了測試。如圖5所示，當(dāng)反向電池?zé)岵灏螘r(shí)電池充電器處于 OFF 狀態(tài)。反向電壓不會(huì)被傳送至充電器和負(fù)載。

值得注意的是，MN1 需要一個(gè)等于電池電壓的 VDS 額定值和一個(gè)等于 1/2 電池電壓的 VGS 額定值。MP1 需要一個(gè)等于電池電壓的 VDS 和 VGS 額定值。

圖6顯示了一種更加嚴(yán)重的情況，就是在反向電池進(jìn)行熱插拔時(shí)電池充電器已處于正常運(yùn)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(hù)電路使其脫離運(yùn)行狀態(tài)，從而讓充電器安全返回至其恒定電壓電平。

動(dòng)態(tài)特性將因應(yīng)用而異，而電池充電器上的電容將對(duì)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(gè)高 Q 值陶瓷電容器和一個(gè) Q 值較低的聚合物電容器。

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?zé)岵灏纹陂g的性能。由于極度的非線性，純陶瓷電容器會(huì)在熱插拔期間產(chǎn)生過高的過沖，背后的原因是：當(dāng)電壓從 0V 升至額定電壓時(shí)，其電容的降幅可達(dá)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(dòng)，而當(dāng)電壓上升時(shí)則使電容快速遞減;這是一種導(dǎo)致非常高電壓過沖的致命組合。憑經(jīng)驗(yàn)，一個(gè)陶瓷電容器與一個(gè)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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