单节锂电池保护解决方案(1)
css-1---单节电池保护解决方案
引言：功率mosfet需要串联连接在锂离子电池组和输出负载之间，同时专用锂电池保护ic用于控制mosfet的导通和关断，以管理电池的充电和放电。 在诸如手机、笔记本电脑等消费电子系统中，具有控制ic、功率mosfet和其他电子部件的完整电路系统称为保护电路模块（pcm）。
1.背靠背连接的功率mos
如图1-1所示，在pcm中一个功率mosfet用于充电，另一个用于放电。 功率mosfet以两种配置背靠背串联连接：一种配置是两个功率mosfet漏极d连接在一起。 在第二种配置中，两个功率mosfet源极s连接在一起（传送门：scd-4：如何用双mos设计分立式负载开关？ ）。 此外还有有两种方法可以将功率mosfet与电池串联：一种方法是将其放置在电池的负端，称为“接地端”或低侧； 另一种是将其放置在电池的正极，称为高压侧。 两种不同的功率mosfet背对背连接模式及其不同的放置方式有其各自的优点和缺点，对应于不同的系统要求。
图1-1：背靠背共漏nmos配置电池保护板电路简图
pcm需要低导通电阻mosfet，因此通常使用n沟道功率mosfet。 由于驱动简单灵活，一些应用在正端的也会使用p沟道mosfet。 但是p沟道mosfet的导通电阻要相对高于n沟道mosfet，价格也偏高，并且选择也受到限制。
2. 工作原理
如图1-2，用于管理充电和放电的两个n沟道功率mosfet位于接地端，漏极背靠背连接，这是pcm的常见方案之一。 在该配置中，q1是用于电池放电的功率mosfet，q2是用于电池充电的功率mosfet，b+是电池的正极，b-是电池的负极，p+是电池组的正极，p-是电池组负极，vss是电池保护管理ic的接地，电池的负极，vss和q1的源极连接在一起。 在pcm板工作之前，q1、q2均关闭。
图1-2：功率mosfet接地端和漏极背靠背电路图
充电
充电时，控制ic向充电功率mosfet（q2）的栅极提供驱动信号co，q2栅极的驱动信号路径为：外部充电电路的正端→p+→b+→r1→vdd→co→q2源极→p-→外部充电电路的负端。 完整的驱动回路如图1-3所示：
图1-3：充电时q2门的驱动信号回路
当q2打开时，充电电流路径为：p+→b+→b-→q1内部寄生二极管→q2通道→p-。 然后，可以如图1-4所示对电池进行充电。
图1-4：当q2打开时的充电回路
为了减少q2导通时q1的损耗，控制ic的do引脚被拉高以使放电功率mosfet q1导通。 由于q1的低rdson，其导通损耗远低于寄生二极管的导通损耗，并且可以提高充电效率。 q1的电流驱动路径为：vdd→do→q1栅极→q1源极→b-→vss，如图1-5所示：
图1-5：充电期间，当q2打开时，do输出q1驱动信号环路
当q2和q1同时处于导通状态时，充电电流路径为：p+→b+→b-→q1通道→q2通道→p-，如图1-6所示：
图1-6：当q1和q2打开时的充电回路
放电：
放电时，控制ic向放电功率mosfet（q1）的栅极提供驱动信号do，q1的栅极驱动信号路径为：vdd→do（驱动器输出）→q1栅极→q1源极→b-→vss，如图1-7所示：
图1-7：do输出q1的放电、驱动信号回路
当q1导通时，放电电流路径为：p-→q2内部寄生二极管→q1通道→b-→b+→p+。 然后电池可以放电，如图1-8所示：
图1-8：q1接通时的放电回路
为了减少q2的损耗，当q1导通时，控制ic向充电功率mosfet q2的栅极提供驱动信号co，从而使q2导通。 由于q2的低导通电阻，导通损耗远低于寄生二极管的导通损耗，从而提高电池使用时间。 q2驱动电流的路径为：vdd→co→q2栅极→q2源极→q2内部寄生二极管→q1通道→b-→vss，如图1-9所示：
图1-9：co输出q2的放电、驱动信号回路
q1和q2同时处于导通状态，放电电流的路径为：p-→q2通道→q1通道→b-→b+→p+，如图1-10所示：
图1-10：q1和q2上的放电回路
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如图1-1所示，在pcm中一个功率mosfet用于充电，另一个用于放电。 功率mosfet以两种配置背靠背串联连接：一种配置是两个功率mosfet漏极d连接在一起。 在第二种配置中，两个功率mosfet源极s连接在一起（传送门：scd-4：如何用双mos设计分立式负载开关？ ）。 此外还有有两种方法可以将功率mosfet与电池串联：一种方法是将其放置在电池的负端，称为“接地端”或低侧； 另一种是将其放置在电池的正极，称为高压侧。 两种不同的功率mosfet背对背连接模式及其不同的放置方式有其各自的优点和缺点，对应于不同的系统要求。
图1-1：背靠背共漏nmos配置电池保护板电路简图
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2. 工作原理
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图1-2：功率mosfet接地端和漏极背靠背电路图
充电
充电时，控制ic向充电功率mosfet（q2）的栅极提供驱动信号co，q2栅极的驱动信号路径为：外部充电电路的正端→p+→b+→r1→vdd→co→q2源极→p-→外部充电电路的负端。 完整的驱动回路如图1-3所示：
图1-3：充电时q2门的驱动信号回路
当q2打开时，充电电流路径为：p+→b+→b-→q1内部寄生二极管→q2通道→p-。 然后，可以如图1-4所示对电池进行充电。
图1-4：当q2打开时的充电回路
为了减少q2导通时q1的损耗，控制ic的do引脚被拉高以使放电功率mosfet q1导通。 由于q1的低rdson，其导通损耗远低于寄生二极管的导通损耗，并且可以提高充电效率。 q1的电流驱动路径为：vdd→do→q1栅极→q1源极→b-→vss，如图1-5所示：
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图1-6：当q1和q2打开时的充电回路
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图1-7：do输出q1的放电、驱动信号回路
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图1-9：co输出q2的放电、驱动信号回路
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