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凡亿专栏 | 电池充放电管理PCM保护板功率MOSFET应用(1)

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电池充放电管理PCM保护板功率MOSFET应用(1)

松哥电源

2023-07-13 16:28:11  1459

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0、前言

锂离子电池包的内部，电芯和输出负载之间要串联功率MOSFET，使用专用的IC控制MOSFET的开关，从而对电芯的充、放电进行管理，如图1所示。在消费电子系统中，如手机电池包，笔记本电脑电池包等，带有控制IC、功率MOSFETFE管以及其他电子元件的电路系统称为电池充放电保护板Protection Circuit Module （PCM），而对于动力电池的电池管理系统，则称为Battery Management System （BMS）。

图1：电池充放电保护板电路结构

在电池充放电保护板PCM中，充、放电分别使用一颗功率MOSFET，背靠背的串联起来。功率MOSFET管背靠背的串联的方式有二种：一种是二颗功率MOSFET的漏极连接在一起；另一种是二颗功率MOSFET的源极连接在一起。功率MOSFET管放置的位置也有二种方式：一种是二颗功率MOSFET放在电池的负端，也就是所谓的“地端”、低端（Low Side）；另一种是二颗功率MOSFET放在电池的正端，高端（High Side）。功率MOSFET背靠背连接的不同方式、以及放在不同的位置，都有各自的优缺点，对应着系统的不同要求。

PCM需要低的导通电阻，同时要控制成本，通常采用N沟道的功率MOSFET。P沟道的功率MOSFET放在高端驱动简单灵活，有少量的应用也会采用P沟道MOSFET。但是，P沟道MOSFET的导通电阻很难做低，成本高，选型的型号和供应厂家也受限，因此，N沟道的功率MOSFET依然是主流的方案。

如果功率MOSFET有非常严格的体积和尺寸的要求，需要将二个功率MOSFET集成到一个芯片上，由于通用的功率MOSFET是垂直结构，衬底是漏极D，因此，使用漏极的背靠背结构就可以采用这样工艺。采用水平（横向）结构的功率MOSFET，可以使用漏极、或源极的背靠背结构，但是，水平结构的功率MOSFET导通电阻很难做低，做低导通电阻成本也高。

1、背靠背功率MOSFET配置方式及工作原理

1.1 地端、漏极背靠背的工作原理

充、放电管理的二颗N沟道的功率MOSFET放在地端，漏极背靠背连接在一起，是PCM常用的方案之一，如图2所示。其中，Q1为电池放电的功率MOSFET，Q2为电池充电的功率MOSFET，B+为电池（电芯）的正端，B-为电池（电芯）的负端，P+为电池包的正端，P-为电池包的负端，VSS为电池保护管理IC的地，电池的负端、VSS和Q1的源极连接在一起。PCM电路板工作前，Q1、Q2都是关断的。

图2：功率MOSFETFE放地端、漏极背靠背电路图

（1）充电

充电的时候，控制IC给出充电功率MOSFET管Q2的栅极驱动信号CO，Q2栅极驱动信号路径为：外部充电电路的正端->P+->B+->R1->VDD->CO驱动输出->Q2栅极->Q2源极->P-->外部充电电路的负端，形成完整的驱动回路，Q2开通，如图3所示。

图3：充电，CO输出Q2的驱动信号

Q2开通后，充电电流的路径为：P+->B+->B-->Q1体内寄生二极管->Q2沟道->P-，电池就可以充电，如图4所示。

图4：Q2导通的充电回路

为了减小Q1的损耗，Q2开通后，控制IC给出放电功率MOSFET管Q1的栅极驱动信号DO开通Q1，Q1的导通电阻RDSON低，导通损耗远低于体内寄生二级管的损耗，从而提高充电的效率。Q1驱动信号路径为：VDD->DO驱动输出->Q1栅极->Q1源极->B-->VSS，形成完整的驱动回路，Q1开通，如图5所示。

图5：充电，Q2导通后，DO输出Q1的驱动信号

Q2、Q1同时处于导通状态，充电电流的路径为：P+->B+->B-->Q1沟道->Q2沟道->P-，如图6所示。

图6：Q2、Q1导通的充电回路

（2）放电

放电的时候，控制IC给出放电功率MOSFET管Q1的栅极驱动信号DO，Q1栅极驱动信号路径为：VDD->DO驱动输出->Q1栅极->Q1源极->B-->VSS，形成完整的驱动回路，就可以打开Q1，如图7所示。

图7：放电，DO输出Q1的驱动信号

Q1开通后，放电的电流路径为：P-->Q2体内寄生二极管->Q1沟道->B-->B+->P+，电池就可以放电，如图8所示。

图8：Q1开通的放电回路

为了减小Q2的损耗，Q1开通后，控制IC给出充电功率MOSFET管Q2的栅极驱动信号CO开通Q2，Q2的导通电阻RDSON低，导通损耗远低于体内寄生二级管的损耗，从而提高电池使用的时间。Q2驱动信号路径为：VDD->CO驱动输出->Q2栅极->Q2源极->Q2体内寄生二极管->Q1沟道->B-->VSS，形成完整的驱动回路，Q2开通，如图9所示。

图9：放电，Q1导通后，CO输出Q2的驱动信号

Q1、Q2同时处于导通状态，放电电流的路径为：P-->Q2沟道->Q1沟道->B-->B+ ->P+，如图10所示。

图10：Q1、Q2导通的放电回路

1.2 地端、源极背靠背

N沟道的二颗功率MOSFET源极背靠背连接在一起，放在地端，如图11所示，这种结构在PCM里面应用较少，在一些负载开关以及通信系统的热插拔电路中，才有使用。

图11：功率MOSFET源极背靠背连接

1. 3 高端、漏极背靠背的工作原理

充、放电管理的二颗N沟道的功率MOSFET放在电源端，也就是高端，漏极背靠背连接在一起，也是是PCM常用的方案之一，如图12所示。其中，Q1为电池放电的功率MOSFET，Q2为电池充电的功率MOSFET。

N沟道的二颗功率MOSFET放在高端，MOSFET开通时，栅极G的电压要高于源极S的电压，源极S的电压为输入电源电压，因此，需要二个的充电泵，叠加在输入电源电压（MOSFET的源极S）上，对它们进行浮驱。

图12：功率MOSFETFE放在高端，漏极背靠背

1.4 高端、源极背靠背的工作原理

充、放电管理的二颗N沟道的功率MOSFET放在电源端，也就是高端，源极背靠背连接在一起，如图13所示。N沟道的二颗功率MOSFET共源极，因此，只需要一个的充电泵，就可以对它们进行浮驱，这种结构应用于一些负载开关，如笔记本电脑内部输入电源电压的负载开关。

图13：功率MOSFETFE放在高端，源极背靠背

2、大电流多管并联

目前，为了提高电子系统的使用时间和待机时间，电池的容量越来越大，如3000mAh到5000mAh，甚至更大，为了缩短充电时间，提高充电的速度，通常使用快充，也就是使用更大的充电电流，如4A、5A、6A，甚至高到8A，对电池充电，这样PCM内部功率MOSFET的功耗非常大，温度非常高。为了降低功率MOSFET的温升，满足热设计的要求，保证功率MOSFET可靠运行，就会使用二个或多个功率MOSFET并联工作，如图14所示。