锂电池保护 mosfet 浅析功率MOS管的锂电池保护电路|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

浅析功率MOS管的锂电池保护电路

电路结构及应用特点

　　电动自行车的磷酸铁锂电池保护板的放电电路的简化模型如图1所示。Q1为放电管，使用N沟道增强型MOS管，实际的工作中，根据不同的应用，会使用多个功率MOS管并联工作，以减小导通电阻，增强散热性能。RS为电池等效内阻，LP为电池引线电感。

　　正常工作时，控制信号控制MOS管打开，电池组的端子P+和P-输出电压，供负载使用。此时，功率MOS管一直处于导通状态，功率损耗只有导通损耗，没有开关损耗，功率MOS管的总的功率损耗并不高，温升小，因此功率MOS管可以安全工作。但是，当负载发生短路时，由于回路电阻很小，电池的放电能力很强，所以短路电流从正常工作的几十安培突然增加到几百安培，在这种情况下，功率MOS管容易损坏。

磷酸铁锂电池短路保护的难点

（1）短路电流大

　　在电动车中，磷酸铁锂电池的电压一般为36V或48V，短路电流随电池的容量、内阻、线路的寄生电感、短路时的接触电阻变化而变化，通常为几百甚至上千安培。

（2）短路保护时间不能太短

　　在应用过程中，为了防止瞬态的过载使短路保护电路误动作，因此，短路保护电路具有一定的延时。而且，由于电流检测电阻的误差、电流检测信号和系统响应的延时，通常，根据不同的应用，将短路保护时间设置在200μS至1000μS，这要求功率MOS管在高的短路电流下，能够在此时间内安全的工作，这也提高了系统的设计难度。

短路保护

　　当短路保护工作时，功率MOS管一般经过三个工作阶段：完全导通、关断、雪崩，如图2所示，其中VGS为MOS管驱动电压，VDS为MOS管漏极电压，ISC为短路电流，图1(b)为图1(a)中关断期间的放大图。

图1：短路过程

（1）完全导通阶段

　　如图1(a)所示，短路刚发生时，MOS管处于完全导通状态，电流迅速上升至最大电流，在这个过程，功率MOS管承受的功耗为PON=ISC2*RDS(on)，所以具有较小RDS(on)的MOS管功耗较低。功率MOS管的跨导Gfs也会影响功率MOS管的导通损耗。当MOS管的Gfs较小且短路电流很大时，MOS管将工作在饱和区，其饱和导通压降很大，如图3所示，MOS管的VDS(ON)在短路时达到14.8V，MOS管功耗会很大，从而导致MOS管因过功耗而失效。如果MOS管没有工作在饱和区，则其导通压降应该只有几伏，如图1(a)中的VDS所示。

图2：低跨导MOS管的导通阶段

　　2）关断阶段

　　如图1(b)所示，保护电路工作后，开始将MOS管关断，在关断过程中MOS管消耗的功率为POFF=V*I，由于关断时电压和电流都很高，所以功率很大，通常会达到几千瓦以上，因此MOS管很容易因瞬间过功率而损坏。同时，MOS管在关断期间处于饱和区，容易发生各单元间的热不平衡从而导致MOSFET提前失效。提高关断的速度，可以减小关断损耗，但这会产生另外的问题。MOS管的等效电路如图3所示，其包含了一个寄生的三极管。在MOS管短路期间，电流全部通过MOS管沟道流过，当MOS管快速关断时，其部分电流会经过Rb流过，从而增加三极管的基极电压，使寄生三极管导通，MOS管提前失效。　　因此，要选取合适的关断速度。由于不同MOS管承受的关断速率不同，需要通过实际的测试来设置合适的关断速度。

图3：MOS管等效电路

　　图4(a)为快速关断波形，关断时通过三极管快速将栅极电荷放掉从而快速关断MOS管，图4(b)为慢速关断电路，在回路中串一只电阻来控制放电速度，增加电阻可以减缓关断速度。

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杰华特发布多款户外电源锂电池保护芯片，JW3370支持10串电池监控

锂电池具有电压平台高，能量密度大，寿命长的突出优势，一经诞生就被手机，笔记本电脑等随身设备广泛应用。多串锂电池组能够输出更大的功率，被人们用于移动电源及储能用途，轻便小巧，满足不同场合的应用需求。

而使用锂电池，就离不开电池组上的保护板了。保护板是由保护芯片和MOS管组成，实时的检测电池端电压和电流，在出现电池过压、欠压或者过流时，保护芯片控制MOS管，及时断开电池与电路的连接，防止电池在异常情况下出现危险。

杰华特针对多串电池应用，推出了一系列多串锂电保护芯片，分别为支持3-5串电池的JW3312保护芯片，支持3串电池的JW3313电池保护芯片，支持5-7串的JW3317电池保护芯片，具有数字接口，支持4-10串电池监控的JW3370电池保护芯片以及支持2-5串的二次侧电池保护芯片JW3410。

首先介绍的是杰华特JW3312。

JW3312是一颗支持3，4，5串锂电池的保护芯片，内部集成高精度电压检测电路，支持过充、过放、过流、过热以及电池断线保护。JW3312支持锂电池和磷酸铁锂电池，具有25mV过充电压检测精度，50mV过放检测精度，内置电池均衡功能，具有3μA待机功耗。JW3312提供TSSOP20封装，适用于可充电锂电池组，电动工具和UPS备份电池组。

JW3313是一颗支持3串锂电池的保护芯片，芯片支持电池过充、过放、过电流、电池温度以及开路检测。JW3313支持磷酸铁锂和锂电池应用，具备25mV过充检测精度和80mV过放检测精度，具备三阶段过电流保护，内置高精度电池温度检测，支持电池过热和过冷保护，具备1.5μA待机功耗。JW3313采用MSOP10封装，支持可充电锂电池组，电动工具等应用。

JW3317是一颗支持5，6，7串锂电池的保护芯片，支持级联应用，满足14串电池保护功能。芯片内置完善的电池保护功能，具备20mV电池过充检测精度和80mV电池过放保护精度，支持四档充电过电流检测的选择，支持三级过放电流延时，具备高精度电池温度检测功能，防止电池在高低温下充电，并且防止电池放电过热。

JW3317采用TSSOP-24封装，支持可充电锂电池组应用，电动自行车应用，备份电池系统应用。级联多串可满足混合动力汽车应用。