自走式电器上的电池放电保护

作者: Diodes 公司分立产品营销经理 Shane Timmons

使用 MOSFET 作为理想二极管，为新一代自动化电器提供稳健可靠的安全保护。

无线电器上的安全隔离

随着家用和工业用无线电器逐渐普及，电池放电保护的需求也随之出现。两个突出的例子是自动割草机和扫地机器人，它们需要充电或闲置时会自动返回充电座。

自走式电器连接充电器的方式，通常是将电器上的一对金属触点与充电器上的对应触点对准。由于这些触点通常位于电器底部，当电器通过裸露的金属物体时可能会有短路风险。扫地机器人有可能通过地毯的金属收口条，或者割草机会碰到草地中隐藏的各种金属物体。

因此，无人看管的自动化电器的操作安全需要重点考虑，尤其是充电端口发生短路时，有可能会释放非常高的电池放电电流。

电池放电保护

保护充电触点进而避免短路有许多不同方法。安装可移动的保护罩或保护盖，当电器与充电器断开连接时可以提供保护，或者可以将触点设计为收缩式。但是这种机械设计会增加额外成本，而且保护罩可能会破裂或发生故障。另外也可以在电路设计中加入机械操作开关，以便在电器与充电器断开后自动隔离触点。

但如果使用电子保护电路，就不需要可移动的零件，还可提供更稳健可靠的解决方案。可采用的一种方式是通过简单的二极管配置。然而二极管正向偏置时，两端的压降会降低传输到电池的充电电压，进而导致不想要的功率耗损。
具有典型正向电压 V_F = 0.55V 特性的二极管整流器会导致 3A 充电电流下消耗 1.65W (P = I x V_F)。

某些电器制造商会通过使用 MOSFET 实现反向放电保护来解决这个问题。开启充电时，MOSFET 的低导通电阻 (R_DS(on)) 确保充电电压降幅最小，进而确保最佳充电效率和电池使用时间。此外，功率耗损也会降至最低。

具有R_DS(on) 为 33mΩ 特性的 P 型 MOSFET (例如 DMP4047LFDE)，可将电池充电电压降幅仅为 99mV，从而将功率耗损大幅降低至 0.297W (P = I² x R)。

理想二极管控制器

Diodes 公司的 DZDH0401DW 简化控制 MOSFET 所需的电路设计。该器件是一款理想二极管控制器，采用小巧的 SOT363 封装技术，尺寸仅为 2.15mm x 2.1mm x 1mm。小尺寸有助于工程师设计内部空间受限的设备，例如无线电器和小型电动工具。该器件也可以用于冗余电源和热插拔电源，以及通用型高侧栅极驱动，从而提供高侧隔离开关解决方案。

DZDH0401DW 适用于工作电压最高达 40V 的系统，通过驱动 P 通道 MOSFET 模拟理想二极管。该器件工作时相当于差分放大器和 PMOS 控制器，当输入端感测到电压大于输出端电压时，可以将正向电流损耗降至最低。相反地，当感测到输入电压小于输出电压时，能够提供高度隔离。

图 1：电器的电池放电保护电路。

图 1 显示无线电器上的电池放电保护应用电路。连接电源时，MOSFET (Q1) 的体二极管(Body Diode)变成正向偏置。DZDH0401DW 内部漏极二极管(Drain Diode)将集成 PNP 双极晶体管的基极保持在 V_IN – V_F(DIODE)，导致晶体管没有足够的 V_BE 来开启。当 Q1 的栅极电容(Gate Capacitance)通过外部连接的电阻器 Rbias 充电时，Q1 会开启并且其 R_DS 降低，导致 V_DS 同步降低。晶体管两端的 V_BE 因而开始上升并使晶体管导通。当 Q1 R_DS 达到最低值 (R_DS(on)) 时，集成晶体管的 V_BE 位于最高值，且 I_C 为最大值。在这些条件下，V_GS 应该要足够高以确保线性工作。

Rref 和 Rbias 分别通过漏极二极管(Drain Diode)和集成晶体管的集电极(Collector)来设定电流，使 V_F(DIODE) 大于 V_BE(on)。Rbias 决定 MOSFET 的导通速度。当理想二极管电路导通时，内部晶体管会由漏极二极管关断，导致 MOSFET 电压下降。Rbias 将栅极拉低并导通 MOSFET。选择电阻器的阻值将电路的静态电流工作降至最低。

断开电源时，移除输入电压，V_DS 会小于控制器的关闭阈值电压 (V_T)。由于 Q1 仍然处于开启状态，V_IN 节点与电池的 V_OUT 相同。这会导致 Rref 的压降 V_REF 下降。当内部晶体管导通时，Q1 栅极电容通过其放电，MOSFET 关闭，进而在输入和输出之间实现高度隔离。Rref 的值决定 MOSFET 的关闭速度。较低的阻值会提升晶体管的基极驱动，因此晶体管能更快地使栅极短路，从而关闭 MOSFET。

图 2：自动割草机和扫地机器人的设计中对电池放电保护的新需求。

结论

具有低导通电阻 (R_DS(on)) 特性的 MOSFET ，作为理想二极管进行控制时，可以有效应用于消费类电器的电池放电保护，这也一直是反向电流保护和电源 OR-ing 电路的首选器件。简单的单芯片控制器能够简化实操，有效节省空间、提升电池性能并增加能源效率。