自走式電器上的電池放電保護

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

無(wú)線(xiàn)電器上的安全隔離

隨著(zhù)家用和工業(yè)用無(wú)線(xiàn)電器逐漸普及，電池放電保護的需求也隨之出現。兩個(gè)突出的例子是自動(dòng)割草機和掃地機器人，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金屬觸點(diǎn)與充電器上的對應觸點(diǎn)對準。由于這些觸點(diǎn)通常位于電器底部，當電器通過(guò)裸露的金屬物體時(shí)可能會(huì )有短路風(fēng)險。掃地機器人有可能通過(guò)地毯的金屬收口條，或者割草機會(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

保護充電觸點(diǎn)進(jìn)而避免短路有許多不同方法。安裝可移動(dòng)的保護罩或保護蓋，當電器與充電器斷開(kāi)連接時(shí)可以提供保護，或者可以將觸點(diǎn)設計為收縮式。但是這種機械設計會(huì )增加額外成本，而且保護罩可能會(huì )破裂或發(fā)生故障。另外也可以在電路設計中加入機械操作開(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電路，就不需要可移動(dòng)的零件，還可提供更穩健可靠的解決方案?？刹捎玫囊环N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 )降低傳輸到電池的充電電壓，進(jìn)而導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)現反向放電保護來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。開(kāi)啟充電時(shí)，MOSFET 的低導通電阻 (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 所需的電路設計。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計內部空間受限的設備，例如無(wú)線(xiàn)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，以及通用型高側柵極驅動(dòng)，從而提供高側隔離開(kāi)關(guān)解決方案。

DZDH0401DW 適用于工作電壓最高達 40V 的系統，通過(guò)驅動(dòng) P 通道 MOSFET 模擬理想二極管。該器件工作時(shí)相當于差分放大器和 PMOS 控制器，當輸入端感測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，當感測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電路。

圖 1 顯示無(wú)線(xiàn)電器上的電池放電保護應用電路。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)，導致晶體管沒(méi)有足夠的 VBE 來(lái)開(kāi)啟。當 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通。當 Q1 RDS 達到最低值 (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 應該要足夠高以確保線(xiàn)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)設定電流，使 VF(DIODE) 大于 VBE(on)。Rbias 決定 MOSFET 的導通速度。當理想二極管電路導通時(shí)，內部晶體管會(huì )由漏極二極管關(guān)斷，導致 MOSFET 電壓下降。Rbias 將柵極拉低并導通 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 節點(diǎn)與電池的 VOUT 相同。這會(huì )導致 Rref 的壓降 VREF 下降。當內部晶體管導通時(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動(dòng)，因此晶體管能更快地使柵極短路，從而關(guān)閉 MOSFET。

結論

具有低導通電阻 (RDS(on)) 特性的 MOSFET ，作為理想二極管進(jìn)行控制時(shí)，可以有效應用于消費類(lèi)電器的電池放電保護，這也一直是反向電流保護和電源 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，有效節省空間、提升電池性能并增加能源效率。