電池充電器的反向電壓保護(hù)

Steven Martin，電池充電器設(shè)計(jì)經(jīng)理

引言

處理電源電壓反轉(zhuǎn)有幾種眾所周知的方法。最明顯的方法是在電源和負(fù)載之間連接一個(gè)二極管，但是由于二極管正向電壓的原因，這種做法會(huì)產(chǎn)生額外的功耗。雖然該方法很簡(jiǎn)潔，但是二極管在便攜式或備份應(yīng)用中是不起作用的，因?yàn)殡姵卦诔潆姇r(shí)必須吸收電流，而在不充電時(shí)則須供應(yīng)電流。

另一種方法是使用圖 1 所示的 MOSFET 電路之一。

圖 1：傳統(tǒng)的負(fù)載側(cè)反向保護(hù)

對(duì)于負(fù)載側(cè)電路而言，這種方法比使用二極管更好，因?yàn)殡娫?（電池） 電壓增強(qiáng)了 MOSFET，因而產(chǎn)生了更少的壓降和實(shí)質(zhì)上更高的電導(dǎo)。該電路的 NMOS 版本比 PMOS 版本更好，因?yàn)榉至⑹?NMOS 晶體管導(dǎo)電率更高、成本更低且可用性更好。在這兩種電路中，MOSFET 都是在電池電壓為正時(shí)導(dǎo)通，電池電壓反轉(zhuǎn)時(shí)則斷開(kāi)連接。MOSFET 的物理“漏極”變成了電源，因?yàn)樗?PMOS 版本中是較高的電位，而在 NMOS 版本中則是較低的電位。由于 MOSFET 在三極管區(qū)域中是電對(duì)稱的，因此它們?cè)趦蓚€(gè)方向上都能很好地傳導(dǎo)電流。采用此方法時(shí)，晶體管必須具有高于電池電壓的最大 VGS 和 VDS 額定值。

遺憾的是，這種方法僅對(duì)負(fù)載側(cè)電路有效，無(wú)法配合能夠給電池充電的電路工作。電池充電器將產(chǎn)生電源，重新啟用 MOSFET 并重新建立至反向電池的連接。圖 2 展示了采用 NMOS 版本的一個(gè)實(shí)例，圖中所示的電池處于故障狀態(tài)。

圖 2：具有一個(gè)電池充電器的負(fù)載側(cè)保護(hù)電路

當(dāng)電池接入時(shí)，電池充電器處于閑置狀態(tài)，負(fù)載和電池充電器與反向電池安全去耦。然而，如果充電器變至運(yùn)行狀態(tài) （例如：附聯(lián)了輸入電源連接器），則充電器在 NMOS 的柵極和源極之間產(chǎn)生一個(gè)電壓，這增強(qiáng)了 NMOS，從而實(shí)現(xiàn)電流傳導(dǎo)。這一點(diǎn)在圖 3 中更形象。

圖 3：傳統(tǒng)的反向電池保護(hù)方案對(duì)電池充電器電路無(wú)效

負(fù)載和充電器雖與反向電壓隔離，但是起保護(hù)作用的 MOSFET 現(xiàn)在面臨的一大問(wèn)題是功耗過(guò)高。在這種情況下，電池充電器變成了一個(gè)電池放電器。當(dāng)電池充電器為 MOSFET 提供了足夠的柵極支持以吸收由充電器輸送的電流時(shí)，該電路將達(dá)到平衡。例如，如果一個(gè)強(qiáng)大 MOSFET 的 VTH 約為 2V，而且充電器能夠在 2V 電壓下提供電流，則電池充電器輸出電壓將穩(wěn)定在 2V （MOSFET 的漏極處在 2V + 電池電壓）。MOSFET 中的功耗為 ICHARGE ? （VTH + VBAT），因而使 MOSFET 升溫發(fā)熱，直到產(chǎn)生的熱量散逸離開(kāi)印刷電路板。該電路的 PMOS 版本也是一樣。

下面將介紹該方法的兩種替代方案，這些替代方案各有優(yōu)缺點(diǎn)。

N 溝道 MOSFET 設(shè)計(jì)

第一種方案采用一個(gè) NMOS 隔離器件，如圖 4 所示。

該電路的算法是：如果電池電壓超過(guò)了電池充電器輸出電壓，則必須停用隔離 MOSFET。

如同上述的 NMOS 方法一樣，在該電路中，MN1 連接在介于充電器/負(fù)載和電池端子之間接線的低壓側(cè)。然而，晶體管 MP1 和 Q1 現(xiàn)在提供了一個(gè)檢測(cè)電路，該電路在電池反接的情況下將停用 MN1。反接電池將 MP1 的源極升舉至高于其連接至充電器正端子的柵極。接著，MP1 的漏極通過(guò) R1 將電流輸送至 Q1 的基極。然后，Q1 將 MN1 的柵極分流至地，防止充電電流在 MN1 中流動(dòng)。R1 負(fù)責(zé)控制在反向檢測(cè)期間流到 Q1 的基極電流，而 R2 則在正常操作中為 Q1 的基極提供泄放。R3 賦予了 Q1 將 MN1 的柵極拉至地電位的權(quán)限。R3/R4 分壓器限制 MN1 柵極上的電壓，這樣?xùn)艠O電壓在反向電池?zé)岵灏纹陂g不必下降那么多。最壞情況是電池充電器已經(jīng)處于運(yùn)行狀態(tài)、產(chǎn)生其恒定電壓電平，附聯(lián)了一個(gè)反接電池時(shí)。在這種情況下，必需盡可能快地關(guān)斷 MN1，以限制消耗高功率的時(shí)間。該電路帶有 R3 和 R4 的這一特殊版本最適合 12V 鉛酸電池應(yīng)用，但是在單節(jié)和兩節(jié)鋰離子電池產(chǎn)品等較低電壓應(yīng)用中，可以免除 R4。電容器 C1 提供了一個(gè)超快速充電泵，以在反向電池附聯(lián)期間下拉 MN1 的柵極電平。對(duì)于最差情形 （附聯(lián)一個(gè)反向電池時(shí)充電器已使能的狀況再次出現(xiàn)），C1 非常有用。

該電路的缺點(diǎn)是需要額外的組件，R3/R4 分壓器在電池上產(chǎn)生了一個(gè)雖然很小、但卻是持續(xù)的負(fù)載。

此類組件大多是纖巧的。MP1 和 Q1 不是功率器件，而且通?？刹捎?SOT23-3、SC70-3 或更小的封裝。MN1 應(yīng)具有非常優(yōu)良的導(dǎo)電性，因?yàn)樗莻鬏斊骷?，但是尺寸不必很大。由于它在深三極管區(qū)工作，并且得到了大幅的柵極強(qiáng)化，因此其功耗即使對(duì)于導(dǎo)電性中等的器件來(lái)說(shuō)也很低。例如，100m？6？8 以下的晶體管也經(jīng)常采用 SOT23-3 封裝。

圖 4：一款可行的反向電池電路

不過(guò)，采用一個(gè)小傳輸晶體管的缺點(diǎn)是：與電池充電器串聯(lián)的額外阻抗延長(zhǎng)了恒定電壓充電階段的充電時(shí)間。例如，如果電池及其配線具有 100m？6？8 的等效串聯(lián)電阻，并且采用了一個(gè) 100m？6？8 的隔離晶體管，那么恒定電壓充電階段中的充電時(shí)間將加倍。

MP1 和 Q1 組成的檢測(cè)和停用電路停用MN1 的速度不是特別快，而且它們無(wú)須如此。雖然 MN1 在反向電池附聯(lián)期間產(chǎn)生高功耗，但是關(guān)斷電路只需“在最后”斷開(kāi) MN1 連接。它必需在 MN1 升溫幅度大到導(dǎo)致受損之前斷開(kāi) MN1 連接。幾十微秒的斷開(kāi)連接時(shí)間可能比較適合。另一方面，在反接電池有機(jī)會(huì)將充電器和負(fù)載電壓拉至負(fù)值之前停用 MN1 至關(guān)重要，因而需要采用 C1?；旧?，該電路具有一條 AC 和一條 DC 停用路徑。

用一個(gè)鉛酸電池和 LTC4015 電池充電器對(duì)此電路進(jìn)行了測(cè)試。如圖 5 所示，當(dāng)反向電池?zé)岵灏螘r(shí)電池充電器處于 OFF 狀態(tài)。反向電壓不會(huì)被傳送至充電器和負(fù)載。

圖 5：充電器處于關(guān)斷狀態(tài)的 NMOS 保護(hù)電路

值得注意的是，MN1 需要一個(gè)等于電池電壓的 VDS 額定值和一個(gè)等于 1/2 電池電壓的 VGS 額定值。MP1 需要一個(gè)等于電池電壓的 VDS 和 VGS 額定值。

圖 6 顯示了一種更加嚴(yán)重的情況，就是在反向電池進(jìn)行熱插拔時(shí)電池充電器已處于正常運(yùn)行狀態(tài)。電池反接將下拉充電器側(cè)電壓，直到檢測(cè)和保護(hù)電路使其脫離運(yùn)行狀態(tài)，從而讓充電器安全返回至其恒定電壓電平。動(dòng)態(tài)特性將因應(yīng)用而異，而電池充電器上的電容將對(duì)最終結(jié)果起到很大的作用。在該測(cè)試中，電池充電器兼具一個(gè)高 Q 值陶瓷電容器和一個(gè) Q 值較低的聚合物電容器。

圖 6：充電器處于運(yùn)行狀態(tài)的 NMOS 保護(hù)電路

總之，建議在電池充電器上采用鋁聚合物電容器和鋁電解電容器，以改善正常的正向電池?zé)岵灏纹陂g的性能。由于極度的非線性，純陶瓷電容器會(huì)在熱插拔期間產(chǎn)生過(guò)高的過(guò)沖，背后的原因是：當(dāng)電壓從 0V 升至額定電壓時(shí)，其電容的降幅可達(dá)驚人的 80%。這種非線性在低電壓條件下激發(fā)高電流的流動(dòng)，而當(dāng)電壓上升時(shí)則使電容快速遞減；這是一種導(dǎo)致非常高電壓過(guò)沖的致命組合。憑經(jīng)驗(yàn)，一個(gè)陶瓷電容器與一個(gè)較低 Q 值、電壓穩(wěn)定的鋁電容器甚至鉭電容器的組合似乎是最穩(wěn)健的組合形式。

P 溝道 MOSFET 設(shè)計(jì)

圖 7 示出了第二種方法，即采用一個(gè) PMOS 晶體管作為保護(hù)器件。

圖 7：PMOS 晶體管傳輸元件版本

在此電路中，MP1 是反向電池檢測(cè)器件，MP2 是反向隔離器件。利用 MP1 的源極至柵極電壓來(lái)比較電池的正端子與電池充電器輸出。如果電池充電器端子電壓高于電池電壓，則 MP1 將停用主傳輸器件 MP2。因此，如果電池電壓被驅(qū)動(dòng)至低于地電位，則顯然，檢測(cè)器件 MP1 將把傳輸器件 MP2 驅(qū)動(dòng)至關(guān)斷狀態(tài) （將其柵極干擾至其源極）。不管電池充電器是使能并形成充電電壓還是停用 （0V），它都將完成上述操作。

該電路的最大優(yōu)勢(shì)是 PMOS 隔離晶體管 MP2 根本不具備將負(fù)電壓傳送至充電器電路和負(fù)載的權(quán)限。圖 8 對(duì)此做了更加清晰的圖解。

圖 8：共源共柵效應(yīng)的圖解

通過(guò) R1 在 MP2 的柵極上可實(shí)現(xiàn)的最低電壓為 0V。即使 MP2 的漏極被拉至遠(yuǎn)低于地電位，其源極也不會(huì)施加顯著的電壓下行壓力。一旦源極電壓降至晶體管高于地電位的 VTH，晶體管將解除自身偏置，而且它的傳導(dǎo)性逐漸消失。源極電壓越接近地電位，晶體管的偏置解除程度越高。這種特性加上簡(jiǎn)單的拓?fù)?，使得這種方法比前文介紹的 NMOS 方法更受青睞。與 NMOS 方法相比，它確實(shí)存在著 PMOS 晶體管導(dǎo)電性較低且成本較高的不足。

盡管比 NMOS 方法簡(jiǎn)單，但是該電路還有一個(gè)很大的缺點(diǎn)。雖然它始終提供針對(duì)反向電壓的保護(hù)作用，但是它可能不會(huì)總是將電路連接到電池。當(dāng)柵極如圖所示交叉耦合時(shí)，該電路形成了一個(gè)閉鎖存儲(chǔ)元件，此元件有可能選擇錯(cuò)誤的狀態(tài)。雖然難以實(shí)現(xiàn)，但存在這樣一種情況：充電器正在產(chǎn)生電壓 （比如 12V），在一個(gè)較低的電壓 （比如 8V） 附聯(lián)電池，電路斷開(kāi)連接。

在這種情況下，MP1 的源極至柵極電壓為 +4V，因而強(qiáng)化 MP1 并停用 MP2。這種情況如圖 9 所示，并在節(jié)點(diǎn)上列出了穩(wěn)定的電壓。

圖 9：采用 PMOS 保護(hù)電路時(shí)可能的阻塞狀態(tài)圖解

為了實(shí)現(xiàn)該條件，電池接入時(shí)充電器必須已經(jīng)處于運(yùn)行狀態(tài)。如果電池在充電器使能之前接入，則 MP1 的柵極電壓完全由電池上拉，因而停用 MP1。當(dāng)充電器接通時(shí)，它產(chǎn)生一個(gè)受控的電流 （而不是高電流沖擊），這降低了 MP1 接通、MP2 關(guān)斷的可能性。

另一方面，如果充電器在電池附聯(lián)之前啟用，則 MP1 的柵極只需簡(jiǎn)單地跟隨電池充電器輸出，因?yàn)樗怯尚狗?a target="_blank">電阻器 R2 上拉的。未接入電池時(shí)，MP1 根本沒(méi)有接通和使 MP2 脫離運(yùn)行狀態(tài)的傾向。

當(dāng)充電器已經(jīng)啟動(dòng)并運(yùn)行、而電池附聯(lián)在后時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。在這種情況下，在充電器輸出和電池端子之間存在瞬間差異，這將促使 MP1 使 MP2 脫離運(yùn)行狀態(tài)，因?yàn)殡姵仉妷簭?qiáng)制充電器電容進(jìn)行吸收。這使 MP2 從充電器電容器吸取電荷的能力與 MP1 使 MP2 脫離運(yùn)行狀態(tài)的能力之間形成了競(jìng)爭(zhēng)。

該電路也用一個(gè)鉛酸電池和 LTC4015 電池充電器進(jìn)行了測(cè)試。將一個(gè)承受重負(fù)載的 6V 電源作為電池模擬器連接至一個(gè)已經(jīng)使能的電池充電器絕對(duì)不會(huì)觸發(fā)“斷開(kāi)連接”狀態(tài)。所做的測(cè)試并不全面，應(yīng)在關(guān)鍵應(yīng)用中更加全面徹底地進(jìn)行測(cè)試。即使電路確已鎖定，停用電池充電器并重新啟用它仍將始終導(dǎo)致重新連接。

故障狀態(tài)可通過(guò)人為操控電路 （在 R1 的頂端和電池充電器輸出之間建立臨時(shí)連接） 進(jìn)行演示。然而，普遍認(rèn)為該電路更傾向于連接。如果連接失敗確實(shí)成為一個(gè)問(wèn)題，那么可以設(shè)計(jì)一款利用多個(gè)器件停用電池充電器的電路。圖 12 給出了一個(gè)更加完整的電路例子。

圖 10 示出了充電器被停用的 PMOS 保護(hù)電路的效果。

請(qǐng)注意，不論什么情況，電池充電器和負(fù)載電壓都不會(huì)出現(xiàn)負(fù)電壓傳送。

圖 11 示出了該電路處于“當(dāng)反接電池進(jìn)行熱插拔時(shí)充電器已進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)”這種不利情況下。

與 NMOS 電路的效果相差無(wú)幾，在斷開(kāi)電路連接使傳輸晶體管 MP2 脫離運(yùn)行狀態(tài)之前，反向電池略微下拉充電器和負(fù)載電壓。

在電路的這個(gè)版本中，晶體管 MP2 必須能夠經(jīng)受兩倍于電池電壓的 VDS （一個(gè)用于充電器，一個(gè)用于反接電池） 和等于電池電壓的 VGS。另一方面，MP1 必須能夠經(jīng)受等于電池電壓的 VDS和兩倍于電池電壓的 VGS。這項(xiàng)要求令人遺憾，因?yàn)閷?duì)于 MOSFET 晶體管來(lái)說(shuō)，額定 VDS始終超過(guò)額定 VGS。可以找到具有 30V VGS 容限和 40V VDS 容限的晶體管，適合鉛酸電池應(yīng)用。為了支持電壓較高的電池，必須增添齊納二極管和限流電阻器來(lái)修改電路。

圖 12 示出了一個(gè)能夠處理兩個(gè)串聯(lián)堆疊鉛酸電池的電路實(shí)例。

圖 10：充電器處于關(guān)斷狀態(tài)的 PMOS 保護(hù)電路

圖 11：充電器處于運(yùn)行狀態(tài)的 PMOS 保護(hù)電路

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圖 12：較高電壓反向電池保護(hù)。

D1、D3 和 R3 保護(hù) MP2 和 MP3 的柵極免受高電壓的損壞。當(dāng)一個(gè)反接電池進(jìn)行熱插拔時(shí)，D2 可防止 MP3 的柵極以及電池充電器輸出快速移動(dòng)至地電位以下。當(dāng)電路具有反接電池或處于錯(cuò)誤斷開(kāi)連接閉鎖狀態(tài)時(shí)，MP1 和 R1 可檢測(cè)出來(lái)，并利用缺失的 LTC4015 的 RT 特性來(lái)停用電池充電器。

結(jié)論

可以開(kāi)發(fā)一種面向基于電池充電器應(yīng)用的反向電壓保護(hù)電路。人們開(kāi)發(fā)了一些電路并進(jìn)行了簡(jiǎn)略的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果令人鼓舞。對(duì)于反向電池問(wèn)題并不存在什么高招，不過(guò)，希望本文介紹的方法能夠提供充分的啟示，即存在一種簡(jiǎn)單、低成本的解決方案。