自走式電器上的電池放電保護(hù)

使用 MOSFET 作為理想二極管，為新一代自動(dòng)化電器提供穩(wěn)健可靠的安全保護(hù)。

無(wú)線電器上的安全隔離

隨著家用和工業(yè)用無(wú)線電器逐漸普及，電池放電保護(hù)的需求也隨之出現(xiàn)。兩個(gè)突出的例子是自動(dòng)割草機(jī)和掃地機(jī)器人，它們需要充電或閑置時(shí)會(huì)自動(dòng)返回充電座。

自走式電器連接充電器的方式，通常是將電器上的一對(duì)金屬觸點(diǎn)與充電器上的對(duì)應(yīng)觸點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)。由于這些觸點(diǎn)通常位于電器底部，當(dāng)電器通過(guò)裸露的金屬物體時(shí)可能會(huì)有短路風(fēng)險(xiǎn)。掃地機(jī)器人有可能通過(guò)地毯的金屬收口條，或者割草機(jī)會(huì)碰到草地中隱藏的各種金屬物體。

因此，無(wú)人看管的自動(dòng)化電器的操作安全需要重點(diǎn)考慮，尤其是充電端口發(fā)生短路時(shí)，有可能會(huì)釋放非常高的電池放電電流。

電池放電保護(hù)

保護(hù)充電觸點(diǎn)進(jìn)而避免短路有許多不同方法。安裝可移動(dòng)的保護(hù)罩或保護(hù)蓋，當(dāng)電器與充電器斷開(kāi)連接時(shí)可以提供保護(hù)，或者可以將觸點(diǎn)設(shè)計(jì)為收縮式。但是這種機(jī)械設(shè)計(jì)會(huì)增加額外成本，而且保護(hù)罩可能會(huì)破裂或發(fā)生故障。另外也可以在電路設(shè)計(jì)中加入機(jī)械操作開(kāi)關(guān)，以便在電器與充電器斷開(kāi)后自動(dòng)隔離觸點(diǎn)。

但如果使用電子保護(hù)電路，就不需要可移動(dòng)的零件，還可提供更穩(wěn)健可靠的解決方案。可采用的一種方式是通過(guò)簡(jiǎn)單的二極管配置。然而二極管正向偏置時(shí)，兩端的壓降會(huì)降低傳輸?shù)诫姵氐某潆婋妷?，進(jìn)而導(dǎo)致不想要的功率耗損。

具有典型正向電壓 VF = 0.55V 特性的二極管整流器會(huì)導(dǎo)致 3A 充電電流下消耗 1.65W (P = I x VF)。

某些電器制造商會(huì)通過(guò)使用 MOSFET 實(shí)現(xiàn)反向放電保護(hù)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。開(kāi)啟充電時(shí)，MOSFET 的低導(dǎo)通電阻 (RDS(on)) 確保充電電壓降幅最小，進(jìn)而確保最佳充電效率和電池使用時(shí)間。此外，功率耗損也會(huì)降至最低。

具有RDS(on) 為 33mΩ 特性的 P 型 MOSFET (例如 DMP4047LFDE)，可將電池充電電壓降幅僅為 99mV，從而將功率耗損大幅降低至 0.297W (P = I2 x R)。

理想二極管控制器

Diodes 公司的 DZDH0401DW 簡(jiǎn)化控制 MOSFET 所需的電路設(shè)計(jì)。該器件是一款理想二極管控制器，采用小巧的 SOT363 封裝技術(shù)，尺寸僅為 2.15mm x 2.1mm x 1mm。小尺寸有助于工程師設(shè)計(jì)內(nèi)部空間受限的設(shè)備，例如無(wú)線電器和小型電動(dòng)工具。該器件也可以用于冗余電源和熱插拔電源，以及通用型高側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)，從而提供高側(cè)隔離開(kāi)關(guān)解決方案。

DZDH0401DW 適用于工作電壓最高達(dá) 40V 的系統(tǒng)，通過(guò)驅(qū)動(dòng) P 通道 MOSFET 模擬理想二極管。該器件工作時(shí)相當(dāng)于差分放大器和 PMOS 控制器，當(dāng)輸入端感測(cè)到電壓大于輸出端電壓時(shí)，可以將正向電流損耗降至最低。相反地，當(dāng)感測(cè)到輸入電壓小于輸出電壓時(shí)，能夠提供高度隔離。

圖 1：電器的電池放電保護(hù)電路。

圖 1 顯示無(wú)線電器上的電池放電保護(hù)應(yīng)用電路。連接電源時(shí)，MOSFET (Q1) 的體二極管(Body Diode)變成正向偏置。DZDH0401DW 內(nèi)部漏極二極管(Drain Diode)將集成 PNP 雙極晶體管的基極保持在 VIN – VF(DIODE)，導(dǎo)致晶體管沒(méi)有足夠的 VBE 來(lái)開(kāi)啟。當(dāng) Q1 的柵極電容(Gate Capacitance)通過(guò)外部連接的電阻器 Rbias 充電時(shí)，Q1 會(huì)開(kāi)啟并且其 RDS 降低，導(dǎo)致 VDS 同步降低。晶體管兩端的 VBE 因而開(kāi)始上升并使晶體管導(dǎo)通。當(dāng) Q1 RDS 達(dá)到最低值 (RDS(on)) 時(shí)，集成晶體管的 VBE 位于最高值，且 IC 為最大值。在這些條件下，VGS 應(yīng)該要足夠高以確保線性工作。

Rref 和 Rbias 分別通過(guò)漏極二極管(Drain Diode)和集成晶體管的集電極(Collector)來(lái)設(shè)定電流，使 VF(DIODE) 大于 VBE(on)。Rbias 決定 MOSFET 的導(dǎo)通速度。當(dāng)理想二極管電路導(dǎo)通時(shí)，內(nèi)部晶體管會(huì)由漏極二極管關(guān)斷，導(dǎo)致 MOSFET 電壓下降。Rbias 將柵極拉低并導(dǎo)通 MOSFET。選擇電阻器的阻值將電路的靜態(tài)電流工作降至最低。

斷開(kāi)電源時(shí)，移除輸入電壓，VDS 會(huì)小于控制器的關(guān)閉閾值電壓 (VT)。由于 Q1 仍然處于開(kāi)啟狀態(tài)，VIN 節(jié)點(diǎn)與電池的 VOUT 相同。這會(huì)導(dǎo)致 Rref 的壓降 VREF 下降。當(dāng)內(nèi)部晶體管導(dǎo)通時(shí)，Q1 柵極電容通過(guò)其放電，MOSFET 關(guān)閉，進(jìn)而在輸入和輸出之間實(shí)現(xiàn)高度隔離。Rref 的值決定 MOSFET 的關(guān)閉速度。較低的阻值會(huì)提升晶體管的基極驅(qū)動(dòng)，因此晶體管能更快地使柵極短路，從而關(guān)閉 MOSFET。

結(jié)論

具有低導(dǎo)通電阻 (RDS(on)) 特性的 MOSFET ，作為理想二極管進(jìn)行控制時(shí)，可以有效應(yīng)用于消費(fèi)類(lèi)電器的電池放電保護(hù)，這也一直是反向電流保護(hù)和電源 OR-ing 電路的首選器件。簡(jiǎn)單的單芯片控制器能夠簡(jiǎn)化實(shí)操，有效節(jié)省空間、提升電池性能并增加能源效率。