設(shè)計基于功率MOS管的鋰電池保護電路

通常，由于磷酸鐵鋰電源的特性，在應用中需要對其充放電過程進行保護，以免過充過放或過熱，以保證電源**的運作。短路保護是放電過程中一種極端惡劣的運作條件，將介紹功率 MOS管在這種運作狀態(tài)的特點，以及如何選取功率 MOS管型號和設(shè)計合適的驅(qū)動電路。

電路結(jié)構(gòu)及應用特點

電動自行車的磷酸鐵鋰電源保護板的放電電路的簡化模型如圖1所示。Q1為放電管，使用N溝道增強型 MOS管，實際的運作中，根據(jù)不同的應用，會使用多個功率 MOS管并聯(lián)運作，以減小導通電阻，增強散熱性能。RS為電源等效內(nèi)阻，LP為電源引線電感。

正常運作時，控制信號控制 MOS管打開，電源組的端子P+和P-輸出電壓，供負載使用。此時，功率 MOS管一直處于導通狀態(tài)，功率損耗只有導通損耗，沒有開關(guān)損耗，功率 MOS管的總的功率損耗并不高，溫升小，因此功率 MOS管可以**運作。

但是，當負載發(fā)生短路時，由于回路電阻很小，電源的放電能力很強，所以短路電流從正常運作的幾十安培突然增加到幾百安培，在這種情況下，功率 MOS管容易損壞。
　　
磷酸鐵鋰電源短路保護的難點

（1）短路電流大

在電動車中，磷酸鐵鋰電源的電壓一般為36V或48V，短路電流隨電源的容量、內(nèi)阻、線路的寄生電感、短路時的接觸電阻變化而變化，通常為幾百甚至上千安培。

（2）短路保護時間不能太短

在應用過程中，為了防止瞬態(tài)的過載使短路保護電路誤動作，因此，短路保護電路具有一定的延時。而且，由于電流檢測電阻的誤差、電流檢測信號和系統(tǒng)響應的延時，通常，根據(jù)不同的應用，將短路保護時間設(shè)置在200μS至1000μS，這要求功率 MOS管在高的短路電流下，能夠在此時間內(nèi)**的運作，這也提高了系統(tǒng)的設(shè)計難度。
短路保護

當短路保護運作時，功率 MOS管一般經(jīng)過三個運作階段：完全導通、關(guān)斷、雪崩，如圖2所示，其中VGS為 MOS管驅(qū)動電壓，VDS為 MOS管漏極電壓，ISC為短路電流，圖2(b)為圖2(a)中關(guān)斷期間的放大圖。

圖2：短路過程。(a) 完全導通階段；(b) 關(guān)斷和雪崩階段。

（1）完全導通階段

如圖2(a)所示，短路剛發(fā)生時， MOS管處于完全導通狀態(tài)，電流迅速上升至*大電流，在這個過程，功率 MOS管承受的功耗為PON= ISC2 * RDS(on)，所以具有較小RDS(on)的 MOS管功耗較低。

功率 MOS管的跨導Gfs也會影響功率 MOS管的導通損耗。當 MOS管的Gfs較小且短路電流很大時， MOS管將運作在飽和區(qū)，其飽和導通壓降很大，如圖3所示， MOS管的VDS(ON)在短路時達到14.8V， MOS管功耗會很大，從而導致 MOS管因過功耗而失效。如果 MOS管沒有運作在飽和區(qū)，則其導通壓降應該只有幾伏，如圖2(a) 中的VDS所示。

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