基于功率MOSFET的锂电池保护电路设计

　　铅酸电池具有安全、便宜、易维护的特点，因此目前仍然广泛的应用于电动自行车。但是铅酸电池污染大、笨重、循环次数少，随着世界各国对环保要求越来越高，铅酸电池的使用会越来越受到限制。磷酸铁锂电池作为一种新型的环保电池，开始逐步的应用到电动车中，并且将成为发展趋势。通常，由于磷酸铁锂电池的特性，在应用中需要对其充放电过程进行保护，以免过充过放或过热，以保证电池安全的工作。短路保护是放电过程中一种极端恶劣的工作条件，本文将介绍功率MOSFET在这种工作状态的特点，以及如何选取功率MOSFET型号和设计合适的驱动电路。

　　电路结构及应用特点

　　电动自行车的磷酸铁锂电池保护板的放电电路的简化模型如图1所示。Q1为放电管，使用N沟道增强型MOSFET,实际的工作中，根据不同的应用，会使用多个功率MOSFET并联工作，以减小导通电阻，增强散热性能。RS为电池等效内阻，LP为电池引线电感。

　　正常工作时，控制信号控制MOSFET打开，电池组的端子P+和P-输出电压，供负载使用。此时，功率MOSFET一直处于导通状态，功率损耗只有导通损耗，没有开关损耗，功率MOSFET的总的功率损耗并不高，温升小，因此功率MOSFET可以安全工作。

　　但是，当负载发生短路时，由于回路电阻很小，电池的放电能力很强，所以短路电流从正常工作的几十安培突然增加到几百安培， 在这种情况下，功率MOSFET容易损坏。

　　磷酸铁锂电池短路保护的难点

　　(1)短路电流大

　　在电动车中，磷酸铁锂电池的电压一般为36V或48V,短路电流随电池的容量、内阻、线路的寄生电感、短路时的接触电阻变化而变化，通常为几百甚至上千安培。

　　(2)短路保护时间不能太短

　　在应用过程中，为了防止瞬态的过载使短路保护电路误动作，因此，短路保护电路具有一定的延时。而且，由于电流检测电阻的误差、电流检测信号和系统响应的延时，通常，根据不同的应用，将短路保护时间设置在200μS至1000μS,这要求功率MOSFET在高的短路电流下，能够在此时间内安全的工作，这也提高了系统的设计难度。

　　短路保护

　　当短路保护工作时，功率MOSFET一般经过三个工作阶段：完全导通、关断、雪崩，如图2所示，其中VGS为MOSFET驱动电压，VDS为MOSFET漏极电压，ISC为短路电流，图2(b)为图2(a)中关断期间的放大图。

　　图2:短路过程。(a) 完全导通阶段;(b) 关断和雪崩阶段。

　　(1) 完全导通阶段

　　如图2(a)所示，短路刚发生时，MOSFET处于完全导通状态，电流迅速上升至最大电流，在这个过程，功率MOSFET承受的功耗为PON= ISC2 * RDS(on)，所以具有较小RDS(on)的MOSFET功耗较低。

　　功率MOSFET的跨导Gfs也会影响功率MOSFET的导通损耗。当MOSFET的Gfs较小且短路电流很大时，MOSFET将工作在饱和区，其饱和导通压降很大，如图3所示，MOSFET的VDS(ON)在短路时达到14.8V，MOSFET功耗会很大，从而导致MOSFET因过功耗而失效。如果MOSFET没有工作在饱和区，则其导通压降应该只有几伏，如图2(a) 中的VDS所示。

　　图3:低跨导MOSFET的导通阶段