以下文章來源于PSD功率系統設計 ，作者Song Liu

功率MOSFET串聯在鋰離子電池組內部和輸出負載之間

功率MOSFET需要在鋰離子電池組內部和輸出負載之間串聯。同時，專用IC用于控制MOSFET的開啟和關閉，以管理電池的充放電，如圖1所示。在消費類電子系統中，如手機、筆記本電腦等，帶有控制IC、功率MOSFET和其他電子元件的電路系統稱為保護電路模塊PCM。

圖1：蓄電池保護板電路圖

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漏極連接。在第二種配置中，連接兩個功率MOSFET源。此外，有兩種方法將功率MOSFET與電池串聯。一種方法是將其放置在電池的負極，稱為“接地端”或低壓側；另一種方法是將其放置在電池的正極端，稱為高壓側。兩種不同的功率MOSFET背靠背連接模式及其不同的放置方式各有優缺點，對應于不同的系統要求。

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，一些應用在正極端使用P溝道MOSFET。然而，P溝道MOSFET的導通電阻相對高于N溝道MOSFET，選擇也受到限制。

功率MOSFET背靠背連接

工作原理

兩個用于管理充電和放電的N溝道功率MOSFET放置在接地端，漏極背靠背連接，這是PCM的常見方案之一，如圖2所示。其中，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-是電池組的負極，VSS是電池保護管理IC的接地，即電池的負極，VSS和Q1的電源連接。在PCM板工作之前，Q1和Q2都關閉。

(1)充電

充電時，控制IC柵極向充電功率MOSFET（Q2）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 →P-→外部充電電路的負極。當Q2接通時，充電電流路徑為：P+→B+→B-→Q1內部寄生二極管→Q2通道→P-。然后可以對電池充電，如圖2所示。

圖2：Q2接通時的充電回路

為了減少Q1的損耗，當Q2開啟時，將控制IC的DO引腳拉高，以使放電功率MOSFET Q1開啟。由于Q1的RDS(ON)較低，其傳導損耗遠低于寄生二極管，充電效率可以提高。當Q2和Q1同時處于on狀態時，充電電流路徑為：P+?B+? B-?Q1通道?Q2通道?P-。

(2)放電

放電時，控制IC向放電功率MOSFET（Q1）提供柵極驅動信號DO，Q1的柵極驅動信號路徑為：VDD?DO（驅動器輸出）?Q1柵?Q1源?B-?VSS。

當Q1為on時，放電電流路徑為：P→Q2內部寄生二極管→Q1通道→B-→B+→P+。然后可以對電池進行放電，如圖3所示。

圖3：Q1開啟時的放電回路

為了減少Q2的損耗，當Q1開啟時，控制IC向充電功率MOSFET Q2提供柵極驅動信號CO，從而開啟Q2。Q1和Q2同時處于開啟狀態。

功率MOSFET的性能要求

離子電池的容量從早期的600mAh、1000mAh，到現在已經達到6000mAh、10000mAh。為了實現更快的充電速度和更短的充電時間，通常采用增加電流和大電流充電的快速充電技術。那么，大電流充電對電池組中的功率MOSFET提出了更高的技術要求。此外，生產線和使用過程中對大容量鋰離子電池有一些具體的技術要求。

功率密度高，功耗低，散熱良好

大容量鋰離子電池組設計的基本要求是盡可能提高電池的容量。因此，功率MOSFET需要更小的尺寸，在一定的尺寸限制下，如1.2mm*1.2mm，具有最小的導通電阻RDS(ON)。為了在較小的芯片尺寸中實現較低的RD（ON），設計主要從晶圓技術和封裝技術進行優化。有必要提高MOSFET單元密度。

在PCM中，通過使用新的芯片級CSP封裝技術，完全消除了封裝導線電阻。

短路能力

大容量鋰離子電池在應用中，特別是在極端條件下，如輸出負載短路，有非常大的電流通過電池。當集成電路檢測到輸出過電流時，它將延遲一段時間以進行保護動作。在延遲時間內，MOSFET的工作電流非常大，這要求MOSFET對大電流應力具有魯棒性。因此，所有鋰離子電池都需要進行短路測試。

理論上，芯片尺寸越大，對短路電流的魯棒性越強。然而，隨著形狀尺寸變小的趨勢，性能將受到限制。因此，應用電路設計需要牢記確保穩健設計以抵抗大短路電流影響所需的要求。

雪崩穩健性

當電池組的輸出端短路且開關關閉時，MOSFET雪崩能力很重要。功率MOSFET的選擇應包括由應用條件確定的足夠雪崩能力。

印刷電路板和熱設計要點

在正常環境溫度下，MOSFET的溫度通常不超過65℃。PCM控制板通常與電池組裝在一起，PCB尺寸是一個限制因素，通常具有較高的熱阻。因此，在系統的熱設計中可能需要特殊考慮。電流路徑在電路板頂部到底部之間對稱，以保持電流平衡。最大化功率路徑的銅面積，并在MOSFET附近的銅焊盤上添加一些通孔進行散熱，是提高散熱能力和降低MOSFET溫升的良好設計技巧。

圖4：散熱器：孔徑12密耳，間距25密耳

所有這些因素對大容量鋰離子電池組中功率MOSFET的充放電管理提出了嚴格的技術設計挑戰。AOS為電池組應用提供了廣泛的高功率密度MOSFET產品。AOS最新的AOCA33102和AOCR36330適用于具有超低RDS(ON)和新型芯片級CSP封裝的手機快速充電應用，這有助于降低功率MOSFET的溫升并提高其可靠性。

作者Song Liu是Alpha and Omega Semiconductor分立產品高級應用工程師；Neil Zhang是Alpha and Omega Semiconductor分立產品應用工程師