单节锂电池保护解决方案(3)

CSS-3---单节电池保护解决方案

引言：前面两节分别介绍了PCM的几种方案，本节聚焦于PCM的性能评估以及可能遇到的问题优化。

1. 功率MOSFET的性能要求

离子电池容量从早期的600mAh、1000mAh到现在已经达到6000mAh、10000mAh。 为了实现更快的充电速度和更短的充电时间，通常采用增加电流和大电流充电的快充技术。 大电流充电对电池组中的功率MOSFET提出了更高的技术要求。

此外在生产线和使用过程中，对大容量锂离子电池有一些特定的技术要求。 所有这些因素都对大容量锂离子电池PCM中功率MOSFET的充放电管理提出了严格的技术设计挑战。

为了实现功率MOSFET的低导通电阻RDSon，有必要提高MOSFET单元密度。 其他技术也用于降低电阻，例如厚金属键合线和薄晶片。 N沟道功率MOSFET可以以减小的形状因数实现较低的导通电阻RDSon。

功率MOSFET封装通常使用引线，为了进一步降低导通电阻，在PCM中通过使用新的芯片级CSP封装技术完全消除了封装线电阻。 同时芯片级CSP的封装技术具有更好的导热性，从而降低功率MOSFET的温升，这有助于提高其可靠性。

使用CSP封装技术的功率MOSFET在没有外部塑料外壳和其他材料保护的情况下，在PCM生产过程中会受到各种热应力和机械应力的影响，例如PCB板的焊接过程，这可能会导致模具开裂的高风险。 因此应使用各种技术，例如在功率MOSFET芯片表面涂覆新材料，以确保其抵抗机械应力和热应力的能力，并提高可靠性。

短路能力

大容量锂离子电池在应用中，特别是在极端条件下，如输出负载短路，会有非常大的电流通过电池。 当IC检测到输出过流时，它将延迟一段时间以进行保护动作。 在延迟时间期间，MOSFET的工作电流非常大，这要求MOSFET对大电流应力具有鲁棒性，因此所有锂离子电池都需要进行短路测试。

理论上芯片尺寸越大，对短路电流的鲁棒性越强。然而随着形状因素的减小，性能将受到限制。因此应用电路设计需要记住确保鲁棒设计以抵抗大短路电流的影响所需的要求。

雪崩鲁棒性

当电池组的输出端短路且开关关闭时，MOSFET雪崩能力非常重要。功率MOSFET的选择应包括根据应用条件确定的足够雪崩能力。

dv/dt保护

在反向连接测试期间，每个电池的最大工作电压为4.4V，最大充电电压也为4.4V。当充电器反向连接到电池组时，MOSFET承受8.8V的电压应力。在大容量锂离子电池的生产过程中，外部直流电源在测试过程中会直接接触电池组的两个输出端。因此MOSFET会承受8.8V高dv/dt电压应力。

图3-1：高电压应力模型

如果MOSFET在漏极到源极之间经历高dv/dt，如图3-1模型，寄生电容CDS将具有I＝CDSdv/dt的充电电流。如果电流足够大，它将触发寄生NPN双极导通，MOSFET很容易损坏，如图3-2所示。