CSS-1---單節電池保護解決方案

引言：功率MOSFET需要串聯連接在鋰離子電池組和輸出負載之間，同時專用鋰電池保護IC用于控制MOSFET的導通和關斷，以管理電池的充電和放電。 在諸如手機、筆記本電腦等消費電子系統中，具有控制IC、功率MOSFET和其他電子部件的完整電路系統稱為保護電路模塊（PCM）。

1.背靠背連接的功率MOS

如圖1-1所示，在PCM中一個功率MOSFET用于充電，另一個用于放電。 功率MOSFET以兩種配置背靠背串聯連接：一種配置是兩個功率MOSFET漏極D連接在一起。 在第二種配置中，兩個功率MOSFET源極S連接在一起（傳送門：SCD-4：如何用雙MOS設計分立式負載開關？ ）。 此外還有有兩種方法可以將功率MOSFET與電池串聯：一種方法是將其放置在電池的負端，稱為“接地端”或低側； 另一種是將其放置在電池的正極，稱為高壓側。 兩種不同的功率MOSFET背對背連接模式及其不同的放置方式有其各自的優點和缺點，對應于不同的系統要求。

圖1-1：背靠背共漏NMOS配置電池保護板電路簡圖

PCM需要低導通電阻MOSFET，因此通常使用N溝道功率MOSFET。 由于驅動簡單靈活，一些應用在正端的也會使用P溝道MOSFET。 但是P溝道MOSFET的導通電阻要相對高于N溝道MOSFET，價格也偏高，并且選擇也受到限制。

2. 工作原理

如圖1-2，用于管理充電和放電的兩個N溝道功率MOSFET位于接地端，漏極背靠背連接，這是PCM的常見方案之一。 在該配置中，Q1是用于電池放電的功率MOSFET，Q2是用于電池充電的功率MOSFET，B+是電池的正極，B-是電池的負極，P+是電池組的正極，P-是電池組負極，VSS是電池保護管理IC的接地，電池的負極，VSS和Q1的源極連接在一起。 在PCM板工作之前，Q1、Q2均關閉。

圖1-2：功率MOSFET接地端和漏極背靠背電路圖

充電

充電時，控制IC向充電功率MOSFET（Q2）的柵極提供驅動信號CO，Q2柵極的驅動信號路徑為：外部充電電路的正端→P+→B+→R1→VDD→CO→Q2源極→P-→外部充電電路的負端。 完整的驅動回路如圖1-3所示：

圖1-3：充電時Q2門的驅動信號回路

當Q2打開時，充電電流路徑為：P+→B+→B-→Q1內部寄生二極管→Q2通道→P-。 然后，可以如圖1-4所示對電池進行充電。

圖1-4：當Q2打開時的充電回路

為了減少Q2導通時Q1的損耗，控制IC的DO引腳被拉高以使放電功率MOSFET Q1導通。 由于Q1的低RDSON，其導通損耗遠低于寄生二極管的導通損耗，并且可以提高充電效率。 Q1的電流驅動路徑為：VDD→DO→Q1柵極→Q1源極→B-→VSS，如圖1-5所示：

圖1-5：充電期間，當Q2打開時，DO輸出Q1驅動信號環路

當Q2和Q1同時處于導通狀態時，充電電流路徑為：P+→B+→B-→Q1通道→Q2通道→P-，如圖1-6所示：

圖1-6：當Q1和Q2打開時的充電回路

放電：

放電時，控制IC向放電功率MOSFET（Q1）的柵極提供驅動信號DO，Q1的柵極驅動信號路徑為：VDD→DO（驅動器輸出）→Q1柵極→Q1源極→B-→VSS，如圖1-7所示：

圖1-7：DO輸出Q1的放電、驅動信號回路

當Q1導通時，放電電流路徑為：P-→Q2內部寄生二極管→Q1通道→B-→B+→P+。 然后電池可以放電，如圖1-8所示：

圖1-8：Q1接通時的放電回路

為了減少Q2的損耗，當Q1導通時，控制IC向充電功率MOSFET Q2的柵極提供驅動信號CO，從而使Q2導通。 由于Q2的低導通電阻，導通損耗遠低于寄生二極管的導通損耗，從而提高電池使用時間。 Q2驅動電流的路徑為：VDD→CO→Q2柵極→Q2源極→Q2內部寄生二極管→Q1通道→B-→VSS，如圖1-9所示：

圖1-9：CO輸出Q2的放電、驅動信號回路

Q1和Q2同時處于導通狀態，放電電流的路徑為：P-→Q2通道→Q1通道→B-→B+→P+，如圖1-10所示：

圖1-10：Q1和Q2上的放電回路