在這篇文章中，我們將研究 MOSFET 用于電池保護(hù)。

每年，越來越多的電子設(shè)備由包含鋰離子 (Li ion) 電池的電池供電。高功率密度、低自放電率和易于充電使其成為幾乎所有便攜式電子產(chǎn)品的首選電池類型——如今，從口袋里的手機(jī)到每天數(shù)以百萬計(jì)開車上班的電動汽車，應(yīng)有盡有由鋰離子電池供電。盡管它們具有許多優(yōu)點(diǎn)，但這些電池也帶來了一定的風(fēng)險(xiǎn)和設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，如果不成功緩解這些風(fēng)險(xiǎn)和設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，可能會導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。我認(rèn)為沒有人會很快忘記 2016 年爆炸性的 Galaxy S7 設(shè)備平板電腦和隨后的召回。

降低此類破壞性事件風(fēng)險(xiǎn)的一種常見方法是將 MOSFET 放置在充電和放電路徑中，當(dāng)電池電壓被認(rèn)為是外部電路時(shí)，它可以切斷電池與末端電路中其他電子設(shè)備之間的電氣連接。指定的安全范圍，或 IC 在充電或放電期間檢測到過電流浪涌（參見圖 1）。

圖 1：簡化的單節(jié)鋰離子電池保護(hù)電路

因?yàn)檫@不是一個快速開關(guān)應(yīng)用，所以我們實(shí)際上只需要考慮最壞情況下的傳導(dǎo)損耗，這使得 MOSFET 的選擇標(biāo)準(zhǔn)類似于負(fù)載開關(guān)的選擇標(biāo)準(zhǔn)。但是有一些獨(dú)特的考慮值得單獨(dú)討論，以突出那些特定于電池保護(hù)的警告。

因?yàn)殡姵乇Ｗo(hù) MOSFET 既可以完全增強(qiáng)并持續(xù)傳導(dǎo)電流，也可以完全關(guān)閉以斷開電池電壓與其他電子設(shè)備的連接，因此在考慮用于此應(yīng)用的 FET 時(shí)，我們幾乎可以忽略開關(guān)參數(shù)。相反，就像根據(jù)電流處理能力選擇負(fù)載開關(guān) FET 時(shí)一樣，電阻和封裝類型是兩個最重要的考慮因素?？紤]到這一點(diǎn)，將電池保護(hù)分解為不同類型的終端設(shè)備所需的三層電流并分析用于每層的 FET 類型是有意義的。

第一層是使用一到兩個電池運(yùn)行的低功耗個人電子產(chǎn)品，例如手機(jī)、平板電腦、智能手表或個人健康追蹤器。這些設(shè)備在充電和放電時(shí)消耗的電流量可高達(dá)幾安培或低至幾百毫安。眾所周知，個人電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)師在每一代產(chǎn)品中都在不斷努力減小產(chǎn)品的尺寸（和重量），因此他們選擇 FET 進(jìn)行電池保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)是盡可能小，同時(shí)仍能夠處理最大充電和放電電流。有時(shí)這意味著像 FemtoFET? N 溝道 MOSFET 這樣的芯片級器件是一個不錯的選擇。

由于 FET 在這些應(yīng)用中經(jīng)常背靠背放置，從而阻塞了充電和放電路徑（如上圖 1 所示），有時(shí)將兩個器件集成到一個采用公共漏極配置的單一封裝中是最節(jié)省空間的解決方案（圖 2 ）。TI 擁有大量集成背靠背器件，提供芯片級封裝和小型四方扁平無引線 (QFN) SON3x3 塑料封裝。

圖 2：集成到單個封裝中的通用漏極配置 FET 示意圖

第二類電池供電設(shè)備是多節(jié)手持式無繩電動工具，如電鉆、修剪器、小鋸和家用電器，如機(jī)器人真空吸塵器。這些設(shè)備仍然對尺寸敏感，但以相當(dāng)高的電流為電池充電，通常高于 10A。因此，設(shè)計(jì)人員通常使用電阻最低的 D2PAK、TO-220 或某些情況下的 QFN 封裝。必要時(shí)可以并行使用多個設(shè)備，特別是對于電鋸和綠籬修剪機(jī)等大型工具，但將 FET 的數(shù)量保持在最低限度以保持較小的外形尺寸仍然很重要。與電機(jī)控制 FET 一樣，給定封裝中電阻最低的器件通常更可取。否則你會選擇一個更小的包。

第三層最高功率的電池充電應(yīng)用是電動汽車，如電動自行車、電動踏板車，甚至電動汽車和公共汽車。在這一點(diǎn)上，電流和功率水平可能很大（數(shù)百安培，幾千瓦的功率），并且確實(shí)沒有辦法將多個 FET 并聯(lián)用于充電和放電路徑。我見過設(shè)計(jì)人員在大型電路板上并聯(lián)數(shù)十個 FET，通常使用 D2PAK、散熱器安裝的 TO-220 或其他熱增強(qiáng)封裝器件（圖 3）。除了設(shè)計(jì)較小的電動自行車外，尺寸通常不是問題，電流處理能力是游戲的名稱。再一次，這意味著只選擇電阻最低的 FET。所需的 FET 數(shù)量是電阻、最高環(huán)境溫度以及作為孔的電路板和系統(tǒng)的熱阻抗的函數(shù)。

圖 3：數(shù)十個 D2PAK FET 并聯(lián)在大型 PCB 上，用于電動汽車電池的充電和放電

關(guān)于在電動汽車中使用電池保護(hù) FET 的最后一點(diǎn)說明——確定最終應(yīng)用是否需要 Q101 級 FET 至關(guān)重要。Q101 是來自汽車電子委員會的汽車認(rèn)證等級（集成電路的 Q100 分立等效物），它對質(zhì)量和可靠性的要求比商業(yè)級設(shè)備的強(qiáng)制性要求要嚴(yán)格得多。我們的設(shè)備是否需要 Q-101 認(rèn)證取決于最終應(yīng)用和許多其他因素，從客戶標(biāo)準(zhǔn)到車輛運(yùn)營所在國家/地區(qū)的法律。

電動自行車和電動滑板車通常不太可能需要 Q-101，但情況并非總是如此。最好在圍繞無法放入最終終端設(shè)備的 FET 構(gòu)建設(shè)計(jì)之前找出這一點(diǎn)。TI 在其產(chǎn)品組合中不提供任何符合汽車標(biāo)準(zhǔn)的 FET，因此如果有此要求，我們的 FET 解決方案將不得不來自其他地方。