大容量電池充放電管理模塊MOSFET選型及應(yīng)用

作者簡(jiǎn)介：劉松，男，武漢人，碩士，現(xiàn)任職于萬(wàn)國(guó)半導(dǎo)體元件有限公司應(yīng)用中心總監(jiān)，主要從事開關(guān)電源系統(tǒng)、電力電子系統(tǒng)和模擬電路的應(yīng)用研究和開發(fā)工作。獲廣東省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，發(fā)表技術(shù)論文60多篇。E-mail: songliu@aosmd.com。

0   引言

鋰離子電池包內(nèi)部的電芯和輸出負(fù)載之間要串聯(lián)功率MOSFET，使用專用的IC 控制MOSFET 的開關(guān)，從而對(duì)電芯的充、放電進(jìn)行管理。在消費(fèi)電子系統(tǒng)中，如手機(jī)電池包、筆記本電腦電池包等，帶有控制IC、功率MOSFET 管以及其他電子元件的電路系統(tǒng)稱為電池充放電保護(hù)板（protection circuit module，PCM）。離子電池的容量從早期的600 mA·h， 到現(xiàn)在高達(dá)10 000 mA·h，為了實(shí)現(xiàn)更快的充電速度，降低充電時(shí)間，通常采用提高電流、使用大電流充電的快充技術(shù)，另外，大容量鋰離子電池在生產(chǎn)線和使用過程中，還有一些特定的技術(shù)要求，所有這些因素都對(duì)大容量鋰離子電池包充、放電管理的功率MOSFET 提出了嚴(yán)格的技術(shù)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。^[1-2]

1   功率MOSFET的配置方式

在電池充放電保護(hù)板PCM 中，充、放電分別使用1 顆功率MOSFET，背靠背串聯(lián)起來(lái)。MOSFET 背靠背串聯(lián)的方式有2 種：1 種是2 顆漏極連接在一起；另1 種是2 顆源極連接在一起。MOSFET 放置的位置也有2 種方式：①放在電池的負(fù)端，也就是所謂的“地端”、低端（low side）；②放在電池的正端，高端（high side）。MOSFET 連接的不同方式以及放在不同位置各有優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的不同要求。

PCM 需要低的導(dǎo)通電阻，同時(shí)要控制成本，通常采用N 溝道MOSFET。P 溝道率MOSFET 放在高端驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單靈活，少量的應(yīng)用也會(huì)采用。但是，其導(dǎo)通電阻很難做低，成本高，選擇和供應(yīng)廠家也受限，因此，N溝道MOSFET 依然是主流的方案。如果MOSFET 有非常嚴(yán)格的體積和尺寸要求，需要將2 個(gè)MOSFET 集成到1 個(gè)芯片上，通用功率MOSFET 是垂直結(jié)構(gòu)，襯底是漏極D，因此，使用漏極的背靠背結(jié)構(gòu)就可以采用這樣的工藝。

2 顆N 溝道功率MOSFET 放在地端，或電源端（高端），漏極背靠背連接在一起，是PCM 常用的2 種方案，如圖1 所示。前者驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，后者因?yàn)镸OSFET 的源極電壓浮動(dòng)變化，需要2 個(gè)充電泵進(jìn)行浮驅(qū)。

（a）功率MOSFET放在高端，漏極背靠背

（b）功率MOSFET放地端、漏極背靠背

圖1 PCM的功率MOSFET配置方式

大容量電池充電電流更大，如4 A、5 A、甚至高到8 A，PCM 內(nèi)部MOSFET 的功耗非常大，溫度非常高。為了降低MOSFET 的溫升，滿足熱設(shè)計(jì)的要求，就會(huì)使用2 個(gè)或多個(gè)功率MOSFET 并聯(lián)工作。根據(jù)安規(guī)LPS 要求，如果PCM 內(nèi)部MOSFET 發(fā)生損壞而短路，充電器輸入電壓直接加在電池上可能發(fā)生危險(xiǎn)。為了提高系統(tǒng)的安全，可以再串聯(lián)1 組背靠背MOSFET，或使用其他方案，形成冗余設(shè)計(jì)，二級(jí)保護(hù)，如圖2 所示。

（a）2組功率MOSFET，1組放在高端，1組放在低端

（b）2組功率MOSFET放在低端

（c）功率MOSFET放在高端，電子保險(xiǎn)絲

（d）功率MOSFET放在低端，電子保險(xiǎn)絲

圖2 PCM的功率MOSFET配置方式

2   PCM中功率MOSFET的性能要求

2.1 高功率密度、低功耗、散熱好

大容量鋰離子電池包設(shè)計(jì)的基本要求是在一定體積和重量條件下盡可能提高電池的容量，從而提高功率密度。由于其空間非常有限，因此要求PCM 上面的MOSFET 具有更小的體積和尺寸；同時(shí)，由于快充電流大，MOSFET 在一定尺寸限制下，如1.2 mm×1.2 mm，具有最小的導(dǎo)通電阻（R_DS（ON））。理論上，更小的R_DS（ON）要求更大的芯片尺寸。為了在同樣的芯片尺寸實(shí)現(xiàn)更低的R_DS（ON），從設(shè)計(jì)上主要從2 個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化。

1）晶圓技術(shù)

為了使MOSFET 實(shí)現(xiàn)更低的R_DS（ON）， 必須對(duì)MOSFET 內(nèi)部結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)，使用各種最新技術(shù)降低內(nèi)部單元結(jié)構(gòu)的晶胞尺寸，提高晶胞單元密度；同時(shí)，改變內(nèi)部電場(chǎng)分布，在保證同樣耐壓的前提下，盡可能降低芯片厚度，這樣，MOSFET就可以實(shí)現(xiàn)超低的FOM值，獲得更低的R_DS（ON）。

2）封裝技術(shù)

為了進(jìn)一步降低導(dǎo)通電阻，在PCM 中使用芯片級(jí)CSP 封裝技術(shù)，完全去除封裝連線電阻，CSP 芯片熱阻更低，降低功率MOSFET 的溫度。

由于CSP 封裝的MOSFET 沒有外部塑料殼等材料的保護(hù)，在生產(chǎn)加工過程中，如PCB 板焊接，會(huì)受到各種熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力的作用產(chǎn)生開裂的風(fēng)險(xiǎn)，因此，要采用各種技術(shù)，如在MOSFET 芯片的表面涂敷新材料，以保證其抗機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力的能力，提高可靠性。

2.2 抗短路的能力

在極端條件下應(yīng)用，如電池包的輸出負(fù)載短路，電池會(huì)流過非常大的電流，IC 過流保護(hù)也有延遲，要求MOSFET 具有承受大電流沖擊的能力。因此，現(xiàn)在安規(guī)要求電池包都要做短路測(cè)試，以免電池發(fā)生爆炸。

圖3 短路測(cè)試失效波形

理論上，芯片尺寸越大，抗短路沖擊的能力越強(qiáng)。在非常小的芯片尺寸限制條件下，需要對(duì)MOSFET 內(nèi)部結(jié)構(gòu)做特定的設(shè)計(jì)，以保證其具有足夠的抗短路大電流沖擊的能力。

2.3 抗雪崩能力

MOSFET 的雪崩能力表明器件的強(qiáng)壯程度和可靠的工作能力，特別是電池包的輸出端短路關(guān)斷后，非常容易發(fā)生雪崩，需要對(duì)MOSFET 的結(jié)構(gòu)做優(yōu)化，以保證其具有足夠的雪崩能力。^[3-6]

圖4 雪崩測(cè)試失效波形

2.4 高抗dV/dt能力

在生產(chǎn)過程中，外部的測(cè)試直流電源會(huì)直接碰觸電池包的2 個(gè)輸出端，電路不發(fā)生損壞的碰觸電壓越高，能力越強(qiáng)，這個(gè)測(cè)試實(shí)際測(cè)量的是MOSFET 對(duì)dV/dt 的耐受能力，過大dV/dt 會(huì)引起MOSFET 動(dòng)態(tài)雪崩損壞。因此，需要對(duì)MOSFET 的結(jié)構(gòu)做優(yōu)化，以保證其具有高直接碰觸電壓和抗dV/dt 的能力。

圖5 直接碰觸電壓測(cè)試，14 V測(cè)試失敗

3   PCM的PCB及熱設(shè)計(jì)要點(diǎn)

PCM 控制板和電池組裝在一起，要求PCB 尺寸比較小，發(fā)熱量不能過高，手機(jī)應(yīng)用要求MOSFET 在常溫環(huán)境滿載條件下表面溫度不超過65 ℃。如47 W 手機(jī)快充，充電電壓為5 V，最大充電電流為9.4 A，需要并聯(lián)2 顆AOCR38232（0.8 mΩ），電流路徑采用上下對(duì)稱，以保持電流均衡。2 顆MOS 之間間隔3 cm，避免相互加熱。盡可能增加功率路徑鋪銅面積，且在靠近MOSFET 的銅皮上增加散熱孔增加散熱，減小MOSFET 溫升。

用紅外測(cè)溫儀測(cè)量MOSFET 表面溫升，由于不同器件的表面材質(zhì)不同，產(chǎn)生的光學(xué)折射率也不同。金屬表面溫升需要先用光學(xué)折射率為100% 的黑色油漆噴涂器件表面，然后再進(jìn)行測(cè)試，才能得到準(zhǔn)確的溫升數(shù)據(jù)，如圖6 所示。

圖6 PCM板的MOSFET溫度測(cè)量

4   輸出漏電流產(chǎn)生原因及解決方法

4.1 輸出漏電流產(chǎn)生的原因

電池端B+、B- 有電壓時(shí)，充電管和放電管都處于關(guān)閉狀態(tài)。此時(shí)，如果有微小的漏電流，如100 nA，由于輸出端并沒有負(fù)載，輸出端呈現(xiàn)高阻抗?fàn)顟B(tài)，如10 MΩ，此時(shí)控制芯片會(huì)檢測(cè)到輸出端有1 V 電壓。以BQ20Z45 為例，當(dāng)輸出P+、P- 之間電壓高于0.8 V 時(shí)，控制芯片會(huì)誤判輸出有充電電壓，啟動(dòng)預(yù)充電功能，開啟充放電管，嘗試給電池充電，增加電池的靜態(tài)損耗，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致電池電量耗盡。

30 V 功率MOSFET 通常數(shù)據(jù)表會(huì)列出30 V 的IDSS小于1 μA，實(shí)際筆記本電腦電池應(yīng)用中電池電壓通常在9~13.2 V 之間，IC 很難判斷在13.2 V 電池電壓下放電管DS 漏電流是不是大于100 nA，從而出現(xiàn)應(yīng)用的問題。

在出廠測(cè)試IDSS 時(shí)，器件廠家使用300 μs 的脈沖電壓進(jìn)行短時(shí)間的漏電流測(cè)試。在實(shí)際應(yīng)用中，功率管長(zhǎng)時(shí)間承受偏壓，載流子會(huì)注入到柵極，雖然外部GS 電壓為0 V，內(nèi)部局部單元柵極仍有殘余電荷，抬高局部柵極電壓，從而導(dǎo)致DS 漏電流增大；同時(shí)，工廠短時(shí)間脈沖測(cè)試無(wú)法保證長(zhǎng)時(shí)間偏壓情況下的漏電流，從而也會(huì)導(dǎo)致極少量MOSFET 在使用后IDSS 超出1 μA，使器件漏電流過大。

4.2 輸出漏電流的解決辦法

在實(shí)際系統(tǒng)中，主板電池輸入接口的阻抗普遍低于1 MΩ，上述漏電流異常，在系統(tǒng)上并不會(huì)產(chǎn)生問題，只是在電池包廠家?guī)齑嫫陂g，可能發(fā)生電池電量異常下降的問題。

為了解決這個(gè)問題，可以采用以下方案。

方案1：電池包輸出端P+、P- 并聯(lián)1 MΩ 電阻，避免因漏電流產(chǎn)生的輸出電壓導(dǎo)致芯片誤檢測(cè)而出現(xiàn)問題。

增加1 MΩ 電阻后，P+ 端的漏電流產(chǎn)生的漏電壓下降到0.46 V，如表1 所示，內(nèi)部MOSFET 不會(huì)開通，系統(tǒng)正常。

表1 增加外部電阻后的輸出電壓

增加電阻的不利之處是會(huì)導(dǎo)致電池弱放電，但是，其消耗的電量非常小，可以忽略。

方案2：芯片調(diào)整輸出檢測(cè)電壓，單節(jié)電池建議從0.8 V 提高到2.3 V，3 節(jié)串聯(lián)電池建議提高到6 V，這樣可以容忍更高的放電管漏電流，系統(tǒng)也不會(huì)開通內(nèi)部MOSFET。

5   結(jié)論

1）采用先進(jìn)的晶圓技術(shù)及CSP 封裝技術(shù)，可以為高容量鋰離子電池包提供小體積、高功率密度的設(shè)計(jì)，同時(shí)滿足熱設(shè)計(jì)和各種應(yīng)力的設(shè)計(jì)要求。

2）功率MOSFET 的高抗雪崩能力、抗短路能力和抗dV/dt 能力才能保證電池包安全可靠的工作。

3）MOSFET 器件表面為金屬材質(zhì)，用紅外測(cè)試儀測(cè)量其溫度時(shí)必須將其表面涂黑，才能得到正確的測(cè)量結(jié)果。

4）電池包輸出端并聯(lián)電阻或提高控制芯片輸出檢測(cè)電壓，可以有效避免漏電流導(dǎo)致電池包不正常工作的問題。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年12月期）