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自走式电器上的电池放电保护
 

【作者: Shane Timmons】2023年11月26日 星期日

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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。两个突出的例子为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。


无线电器上的安全隔离

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接点与充电器上的对应接点对准。由於这些接点通常位於电器底部,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压线条,或是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谨慎考虑,尤其是充电端囗发生短路时,有可能会释放非常高的电池放电电流。


电池放电保护

保护充电接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结时可以提供保护,或者可以将接点设计为回缩式。但是这种机构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後自动隔离接点。


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透过简单的二极体配置。然而二极体正向偏置时,两端的压降会降低传送到电池的充电电压,进而导致不想要的功率耗损。


具有典型正向电压 VF=0.55V 特性的二极体整流器会导致3A充电电流下消耗 1.65W(P = I x VF)。


某些电器制造商会藉由使用MOSFET实现反向放电保护来克服这个问题。开启充电时,MOSFET的低导通电阻(RDS(on))确保充电电压降幅最小,进而确保最隹充电效率和电池运作时间。此外,功率耗损也会降至最低。


具有RDS(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)。


理想二极体控制器

DZDH0401DW简化控制MOSFET所需的电路设计。该元件是一款理想二极体控制器,采用小巧的SOT363 封装技术,尺寸仅为 2.15mm x 2.1mm x 1mm。小尺寸有助於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。该元件也可以用於备援电源和热??拔电源,以及通用型高侧闸极驱动,从而提供高侧隔离开关解决方案。


DZDH0401DW适用於操作电压最高达40V的系统,通过驱动P通道MOSFET模拟理想二极体。该元件工作时等同於差动放大器和PMOS控制器,当输入端感测到电压大於输出端电压时,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於输出电压时,能够提供高度隔离。



图一 : 电器的电池放电保护电路
图一 : 电器的电池放电保护电路

图一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)的本体二极体(Body Diode)成正向偏压。DZDH0401DW 内部汲极(Drain Diode)二极体将整合 PNP双极电晶体的基极保持在VIN - VF(DIODE),导致电晶体没有足够的 VBE 来开启。当Q1的闸极电容(Gate Capacitance)透过外部连接的电阻器 Rbias 充电时,Q1 会开启并且其 RDS降低,导致VDS同步降低。电晶体两端的VBE因而开始上升并使电晶体导通。当Q1 RDS达到最低值(RDS(on))时,整合电晶体的VBE位於最高值,且IC为最大值。在这些条件下,VGS应该要足够高以确保线性运作。


Rref和Rbias分别透过汲极二极体(Drain Diode)和整合电晶体的集电极(Collector)来设定电流,使VF(DIODE)大於VBE(on)。Rbias决定MOSFET的导通速度。当理想二极体电路导通时,内部电晶体会由汲极二极体关断,导致MOSFET电压下降。Rbias将闸极拉低并开启MOSFET。选择电阻器的值将电路的静态电流运作降至最低。


断开电源时,移除输入电压,VDS会小於控制器的关闭??值电压(VT)。由於Q1仍然处於开启状态,VIN节点与电池的VOUT相同。这会导致Rref的压降VREF下降。当内部电晶体导通时,Q1闸极电容透过其放电,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。较低的电阻值会增加电晶体的基极驱动,因此电晶体能更快速地使闸极短路,从而关闭MOSFET。



图二 : 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。
图二 : 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(RDS(on))特性的MOSFET,作为理想二极体进行控制时,可以有效应用於消费性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电路的首选元件。简单的单晶片控制器能够简化实作,有效节省空间、提升电池效能并增加能源效率。


(本文作者Shane Timmons为Diodes 公司分立产品行销经理)


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