大容量電池充放電管理模塊MOSFET選型及應(yīng)用

劉松 高銘 李全

摘要：本文闡述了大容量鋰離子電池包內(nèi)部功率MOSFET的配置以及實(shí)現(xiàn)二級(jí)保護(hù)的方案;論述了其實(shí)現(xiàn)高功率密度使用的功率MOSFET所采用的晶圓技術(shù)和CSP封裝技術(shù)的特點(diǎn);提出了保證電池包安全可靠工作，功率MOSFET必須具有的技術(shù)參數(shù)，以及如何正確測(cè)量MOSFET的工作溫度;最后，給出了輸出端并聯(lián)電阻以及提高控制芯片的輸出檢測(cè)電壓2種方案，避免漏電流導(dǎo)致電池包不正常工作的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：電池充放電管理;雪崩;短路;漏電流

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(kāi)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600mA·h，到現(xiàn)在高達(dá)10000mA·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(guò)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（lowside）;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)。

大容量電池充電電流更大，如4A、5A、甚至高到8A，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。

2PCM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1.2mm×1.2mm，具有最小的導(dǎo)通電阻（RDS（ON））。理論上，更小的RDS（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RDS（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RDS（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RDS（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(méi)有外部塑料殼等材料的保護(hù)，在生產(chǎn)加工過(guò)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(kāi)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(guò)非常大的電流，IC過(guò)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。

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]

2.4高抗dV/dt能力

在生產(chǎn)過(guò)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(guò)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。

3PCM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(guò)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(guò)65°C。如47W手機(jī)快充，充電電壓為5V，最大充電電流為9.4A，需要并聯(lián)2顆AOCR38232（0.8mΩ），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3cm，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。

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100nA，由于輸出端并沒(méi)有負(fù)載，輸出端呈現(xiàn)高阻抗?fàn)顟B(tài)，如10MΩ，此時(shí)控制芯片會(huì)檢測(cè)到輸出端有1V電壓。以BQ20Z45為例，當(dāng)輸出P+、P-之間電壓高于0.8V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(kāi)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。

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

在出廠測(cè)試IDSS時(shí)，器件廠家使用300μs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0V，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1μA，使器件漏電流過(guò)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1MΩ，上述漏電流異常，在系統(tǒng)上并不會(huì)產(chǎn)生問(wèn)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(wèn)題。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以采用以下方案。

方案1：電池包輸出端P+、P-并聯(lián)1MΩ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(wèn)題。

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

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0.8V提高到2.3V，3節(jié)串聯(lián)電池建議提高到6V，這樣可以容忍更高的放電管漏電流，系統(tǒng)也不會(huì)開(kāi)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(wèn)題。

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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(kāi)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(kāi)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。