鉅大LARGE | 點擊量：1374次 | 2021年05月11日
鋰電池充電器的反向電壓保護
作者/StevenMartinADI公司電池充電器設(shè)計經(jīng)理
摘要：開發(fā)一種面向基于電池充電器應(yīng)用的反向電壓保護電路
引言
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)載之間連接一個二極管，但是由于二極管正向電壓的原因，這種做法會出現(xiàn)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)用中是不起用途的，因為電池在充電時必須吸收電流，而在不充電時則須供應(yīng)電流。另一種方法是使用圖1所示的MOSFET電路之一。
關(guān)于負(fù)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，因而出現(xiàn)了更少的壓降和實質(zhì)上更高的電導(dǎo)。該電路的NMOS版本比pMOS版本更好，因為分立式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導(dǎo)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(dǎo)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。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
遺憾的是，這種方法僅對負(fù)載側(cè)電路有效，無法配合能夠給電池充電的電路工作。電池充電器將出現(xiàn)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)。
當(dāng)電池接入時，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，假如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的柵極和源極之間出現(xiàn)一個電壓，這增強了NMOS，從而實現(xiàn)電流傳導(dǎo)。這一點在圖3中更形象。
負(fù)載和充電器雖與反向電壓隔離，但是起保護用途的MOSFET現(xiàn)在面對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(dāng)電池充電器為MOSFET供應(yīng)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，假如一個強大MOSFET的VTH約為2V，而且充電器能夠在2V電壓下供應(yīng)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，直到出現(xiàn)的熱量散逸離開印刷電路板。該電路的pMOS版本也是相同。下面將介紹該方法的兩種替代方法，這些替代方法各有優(yōu)缺點。
1N溝道MOSFET設(shè)計
第一種方法采用一個NMOS隔離器件，如圖4所示。該電路的算法是：假如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方法相同，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)在供應(yīng)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(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的基極供應(yīng)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)處于運行狀態(tài)、出現(xiàn)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(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供應(yīng)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。關(guān)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。
該電路的缺點是要額外的組件，R3/R4分壓器在電池上出現(xiàn)了一個雖然很小、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，因此其功耗即使關(guān)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，假如電池及其配線具有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)期間出現(xiàn)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(fù)載電壓拉至負(fù)值之前停用MN1至關(guān)重要，因而要采用C1?；旧希撾娐肪哂幸粭lAC和一條DC停用路徑。
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(dāng)反向電池?zé)岵灏螘r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(fù)載。
值得注意的是，MN1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(yán)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(yīng)用而異，而電池充電器上的電容將對最終結(jié)果起到很大的用途。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。
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，純陶瓷電容器會在熱插拔期間出現(xiàn)過高的過沖，背后的原因是：當(dāng)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(dāng)電壓上升時則使電容快速遞減;這是一種導(dǎo)致非常高電壓過沖的致命組合。憑相關(guān)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。
2p溝道MOSFET設(shè)計
圖7示出了第二種方法，即采用一個pMOS晶體管作為保護器件。
在此電路中，Mp1是反向電池檢測器件，Mp2是反向隔離器件。利用Mp1的源極至柵極電壓來比較電池的正端子與電池充電器輸出。假如電池充電器端子電壓高于電池電壓，則Mp1將停用主傳輸器件Mp2。因此，假如電池電壓被驅(qū)動至低于地電位，則顯然，檢測器件Mp1將把傳輸器件Mp2驅(qū)動至關(guān)斷狀態(tài)(將其柵極干擾至其源極)。不管電池充電器是使能并形成充電電壓還是停用(0V)，它都將完成上述操作。
該電路的最大優(yōu)勢是pMOS隔離晶體管Mp2根本不具備將負(fù)電壓傳送至充電器電路和負(fù)載的權(quán)限。圖8對此做了更加清晰的圖解。
通過R1在Mp2的柵極上可實現(xiàn)的最低電壓為0V。即使Mp2的漏極被拉至遠(yuǎn)低于地電位，其源極也不會施加顯著的電壓下行壓力。一旦源極電壓降至晶體管高于地電位的VTH，晶體管將解除自身偏置，而且它的傳導(dǎo)性逐漸消失。源極電壓越接近地電位，晶體管的偏置解除程度越高。這種特性加上簡單的拓?fù)?，使得這種方法比前文介紹的NMOS方法更受青睞。與NMOS方法相比，它確實存在著pMOS晶體管導(dǎo)電性較低且成本較高的不足。
盡管比NMOS方法簡單，但是該電路還有一個很大的缺點。雖然它始終供應(yīng)針對反向電壓的保護用途，但是它可能不會總是將電路連接到電池。當(dāng)柵極如圖8所示交叉耦合時，該電路形成了一個閉鎖存儲元件，此元件有可能選擇錯誤的狀態(tài)。雖然難以實現(xiàn)，但存在這樣一種情況：充電器正在出現(xiàn)電壓(比如12V)，在一個較低的電壓(比如8V)附聯(lián)電池，電路斷開連接。
在這種情況下，Mp1的源極至柵極電壓為+4V，因而強化Mp1并停用Mp2。這種情況如圖9所示，并在節(jié)點上列出了穩(wěn)定的電壓。
為了實現(xiàn)該條件，電池接入時充電器必須已經(jīng)處于運行狀態(tài)。假如電池在充電器使能之前接入，則Mp1的柵極電壓完全由電池上拉，因而停用Mp1。當(dāng)充電器接通時，它出現(xiàn)一個受控的電流(而不是高電流沖擊)，這降低了Mp1接通、Mp2關(guān)斷的可能性。
另一方面，假如充電器在電池附聯(lián)之前啟用，則Mp1的柵極只需簡單地跟隨電池充電器輸出，因為它是由泄放電阻器R2上拉的。未接入電池時，Mp1根本沒有接通和使Mp2脫離運行狀態(tài)的傾向。
當(dāng)充電器已經(jīng)啟動并運行、而電池附聯(lián)在后時，就會出現(xiàn)問題。在這種情況下，在充電器輸出和電池端子之間存在瞬間差異，這將促使Mp1使Mp2脫離運行狀態(tài)，因為電池電壓強制充電器電容進行吸收。這使Mp2從充電器電容器吸取電荷的能力與Mp1使Mp2脫離運行狀態(tài)的能力之間形成了競爭。
該電路也用一個鉛酸電池和LTC4015電池充電器進行了測試。將一個承受重負(fù)載的6V電源作為電池模擬器連接至一個已經(jīng)使能的電池充電器絕對不會觸發(fā)“斷開連接”狀態(tài)。所做的測試并不全面，應(yīng)在關(guān)鍵應(yīng)用中更加全面徹底地進行測試。即使電路確已鎖定，停用電池充電器并重新啟用它仍將始終導(dǎo)致重新連接。
故障狀態(tài)可通過人為操控電路(在R1的頂端和電池充電器輸出之間建立臨時連接)進行演示。然而，普遍認(rèn)為該電路更傾向于連接。假如連接失敗確實成為一個問題，那么可以設(shè)計一款利用多個器件停用電池充電器的電路。圖12給出了一個更加完整的電路例子。
圖10示出了充電器被停用的pMOS保護電路的效果。請注意，不論什么情況，電池充電器和負(fù)載電壓都不會出現(xiàn)負(fù)電壓傳送。圖11示出了該電路處于“當(dāng)反接電池進行熱插拔時充電器已進入運行狀態(tài)”這種不利情況下。
與NMOS電路的效果相差無幾，在斷開電路連接使傳輸晶體管Mp2脫離運行狀態(tài)之前，反向電池略微下拉充電器和負(fù)載電壓。
在電路的這個版本中，晶體管Mp2必須能夠經(jīng)受兩倍于電池電壓的VDS(一個用于充電器，一個用于反接電池)和等于電池電壓的VGS。另一方面，Mp1必須能夠經(jīng)受等于電池電壓的VDS和兩倍于電池電壓的VGS。這項要求令人遺憾，因為關(guān)于MOSFET晶體管來說，額定VDS始終超過額定VGS。可以找到具有30VVGS容限和40VVDS容限的晶體管，適合鉛酸電池應(yīng)用。為了支持電壓較高的電池，必須增添齊納二極管和限流電阻器來修改電路。
圖12示出了一個能夠處理兩個串聯(lián)堆疊鉛酸電池的電路實例。
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D1、D3和R3保護Mp2和Mp3的柵極免受高電壓的損壞。當(dāng)一個反接電池進行熱插拔時，D2可防止Mp3的柵極以及電池充電器輸出快速移動至地電位以下。當(dāng)電路具有反接電池或處于錯誤斷開連接閉鎖狀態(tài)時，Mp1和R1可檢測出來，并利用缺失的LTC4015的RT特性來停用電池充電器。
3結(jié)論
可以開發(fā)一種面向基于電池充電器應(yīng)用的反向電壓保護電路。人們開發(fā)了一些電路并進行了簡略的測試，測試結(jié)果令人鼓舞。關(guān)于反向電池問題并不存在什么高招，不過，希望本文介紹的方法能夠供應(yīng)充分的啟示，即存在一種簡單、低成本的解決方法。
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