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自走式電器上的電池放電保護
 

【作者: Shane Timmons】   2023年11月26日 星期日

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隨著家用和工業用無線電器逐漸普及,電池放電保護的需求也隨之出現。兩個突出的例子為自動割草機和掃地機器人,它們需要充電或閒置時會自動返回充電座。


無線電器上的安全隔離

自走式電器連接充電器的方式,通常是將電器上的一對金屬接點與充電器上的對應接點對準。由於這些接點通常位於電器底部,當電器通過裸露的金屬物體時可能會有短路風險。掃地機器人有可能通過地毯的金屬壓線條,或是割草機會碰到草地中隱藏的各種金屬物體。


因此,無人看管的自動化電器的操作安全需要謹慎考慮,尤其是充電端口發生短路時,有可能會釋放非常高的電池放電電流。


電池放電保護

保護充電接點進而避免短路有許多不同方法。安裝可移動的保護罩或保護蓋,當電器與充電器斷開連結時可以提供保護,或者可以將接點設計為回縮式。但是這種機構設計會增加額外成本,而且保護罩可能會破裂或發生故障。另外,也可以在電路設計中加入機械操作開關,以便在電器與充電器斷開後自動隔離接點。


但如果使用電子保護電路,就不需要可移動的零件,還可提供更穩健可靠的解決方案。可採用的一種方式是透過簡單的二極體配置。然而二極體正向偏置時,兩端的壓降會降低傳送到電池的充電電壓,進而導致不想要的功率耗損。


具有典型正向電壓 VF=0.55V 特性的二極體整流器會導致3A充電電流下消耗 1.65W(P = I x VF)。


某些電器製造商會藉由使用MOSFET實現反向放電保護來克服這個問題。開啟充電時,MOSFET的低導通電阻(RDS(on))確保充電電壓降幅最小,進而確保最佳充電效率和電池運作時間。此外,功率耗損也會降至最低。


具有RDS(on)為33mΩ特性的P型MOSFET(例如 DMP4047LFDE),可將電池充電電壓降幅僅為99mV,從而將功率耗損大幅降低至 0.297W(P = I2 x R)。


理想二極體控制器

DZDH0401DW簡化控制MOSFET所需的電路設計。該元件是一款理想二極體控制器,採用小巧的SOT363 封裝技術,尺寸僅為 2.15mm x 2.1mm x 1mm。小尺寸有助於工程師設計內部空間受限的設備,例如無線電器和小型電動工具。該元件也可以用於備援電源和熱插拔電源,以及通用型高側閘極驅動,從而提供高側隔離開關解決方案。


DZDH0401DW適用於操作電壓最高達40V的系統,通過驅動P通道MOSFET模擬理想二極體。該元件工作時等同於差動放大器和PMOS控制器,當輸入端感測到電壓大於輸出端電壓時,可以將正向電流損耗降至最低。相反地,當感測到輸入電壓小於輸出電壓時,能夠提供高度隔離。



圖一 : 電器的電池放電保護電路
圖一 : 電器的電池放電保護電路

圖一顯示無線電器上的電池放電保護應用電路。連接電源時,MOSFET(Q1)的本體二極體(Body Diode)成正向偏壓。DZDH0401DW 內部汲極(Drain Diode)二極體將整合 PNP雙極電晶體的基極保持在VIN – VF(DIODE),導致電晶體沒有足夠的 VBE 來開啟。當Q1的閘極電容(Gate Capacitance)透過外部連接的電阻器 Rbias 充電時,Q1 會開啟並且其 RDS降低,導致VDS同步降低。電晶體兩端的VBE因而開始上升並使電晶體導通。當Q1 RDS達到最低值(RDS(on))時,整合電晶體的VBE位於最高值,且IC為最大值。在這些條件下,VGS應該要足夠高以確保線性運作。


Rref和Rbias分別透過汲極二極體(Drain Diode)和整合電晶體的集電極(Collector)來設定電流,使VF(DIODE)大於VBE(on)。Rbias決定MOSFET的導通速度。當理想二極體電路導通時,內部電晶體會由汲極二極體關斷,導致MOSFET電壓下降。Rbias將閘極拉低並開啟MOSFET。選擇電阻器的值將電路的靜態電流運作降至最低。


斷開電源時,移除輸入電壓,VDS會小於控制器的關閉閾值電壓(VT)。由於Q1仍然處於開啟狀態,VIN節點與電池的VOUT相同。這會導致Rref的壓降VREF下降。當內部電晶體導通時,Q1閘極電容透過其放電,MOSFET關閉,進而在輸入和輸出之間實現高度隔離。Rref的值決定MOSFET的關閉速度。較低的電阻值會增加電晶體的基極驅動,因此電晶體能更快速地使閘極短路,從而關閉MOSFET。



圖二 : 自動割草機和掃地機器人的設計中對電池放電保護的新需求。
圖二 : 自動割草機和掃地機器人的設計中對電池放電保護的新需求。

結論

具有低導通電阻(RDS(on))特性的MOSFET,作為理想二極體進行控制時,可以有效應用於消費性電器的電池放電保護,這也一直是反向電流保護和電源OR-ing電路的首選元件。簡單的單晶片控制器能夠簡化實作,有效節省空間、提升電池效能並增加能源效率。


(本文作者Shane Timmons為Diodes 公司分立產品行銷經理)


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