单节锂电池保护解决方案(2)

CSS-2---单节电池保护解决方案

引言：上节（传送门：CSS-1：单节锂电池保护解决方案-1）简单讲解了PCM在充放电过程中的运行过程，对于一个锂电池组的PCM设计来说，不仅仅需要满足法规要求，还需要满足PCM的性能，达到保护指标和保护等级。 本节通过PCM不同方案的演变和对比，在实际使用中，灵活选择不同的方案，也更需要灵活地创造出新方案。

1.接地侧，源极背靠背

无论哪种背靠背连接，都是为了避免体二极管流过不必要的电流，如图2-1所示，两个N沟道功率MOSFET的源极背靠背连接并放置在GND侧，这种结构很少用于PCM，但有时用于通信系统的负载开关和热插拔电路。 （传送门：SCD-4：如何用双MOS设计分立式负载开关？ ）

图2-1：功率MOSFET的源极背靠背连接

2.高压侧，漏极背靠背

如图2-2，电源端（高压侧）的两个N沟道功率MOSFET的充电和放电是一种常见的PCM方案，其漏极背靠背连接。 Q1是用于电池放电的功率MOSFET，Q2是用于电池充电的功率MOSFET。 两个N沟道功率MOSFET放置在正端，因此需要两个充电泵来启用浮动驱动。

图2-2：高侧功率MOSFET，漏极背靠背连接

如图2-3所示，放置在电源端（高压侧）的两个充电和放电N沟道功率MOSFET源极背靠背连接。 两个N沟道功率MOSFET使用公共源极，因此需要充电泵来驱动。 这种结构也用于负载开关。

图2-3：高端功率MOSFET，源极背靠背连接

3.大电流并联多个MOSFET

为了提高电子系统的使用时间和待机时间，电池的容量正在增加，例如3000mAh到5000mAh甚至更大。 为了缩短充电时间和提高充电速度，通常采用快速充电，即通过更大的充电电流对电池充电，例如4A、5A、6A，甚至大到8A。 这样一来PCM内部功率MOSFET的功耗非常高，温度也非常高。 为了降低温度并确保功率MOSFET的可靠运行，可以并联使用两个或多个MOSFET，如图2-4所示。

图2-4：大电流充放电并联多个MOSFET

4. 冗余设计（二级保护）

根据LPS安全法规的要求，如果PCM内的功率MOSFET在插入充电器时损坏或短路，则输入电压直接施加到电池上，这是非常危险的。 为了提高系统的安全性，可以串联连接另一组背靠背功率MOSFET，或者使用其他方案来形成冗余设计。 当主保护失效时，还有另一个保护，如图2-5至图2-8所示，其中图2-6方案使用非常广泛。

图2-5：串联保护模式-两组功率MOSFET，一组位于高侧，另一组位于低侧

图2-6：串联保护模式-低侧两组功率MOSFET

图2-7：采用电子熔断器的高侧功率MOSFET

图2-8：功率MOSFET置于低侧，带有电子保险丝