Lithiumbatterie-Schutzschaltung - Warum sind zwei MOSFETs in Reihe geschaltet, die vertauscht sind?

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Ich habe einen Batterieschutzchip und eine Referenzschaltung (siehe unten) untersucht, die üblicherweise in Li-Ionen-Batterien für Mobiltelefone verwendet werden, und bin durch die beiden in Reihe geschalteten MOSFETs am negativen Anschluss EB- verwirrt.

Aufgrund dieser Frage verstehe ich jetzt, dass MOSFETs entweder in SD- oder in DS-Richtung leiten können.

Meine Fragen sind: 1. Warum gibt es zwei MOSFETs in dieser Schaltung? Warum nicht nur eine? 2. Wenn sie in beide Richtungen leiten, warum werden FET1 und FET2 mit entgegengesetzten Polaritäten installiert? Wie kommt das der Rennstrecke zugute?

S-8261 Referenzschaltung

Ryan Griggs
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Antworten:

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Das hat zwei Gründe.

Naja, eigentlich nur für einen, aber mit zwei Faktoren.

Ein MOSFET kann beim Einschalten in beide Richtungen leiten, da es sich tatsächlich nur um einen Widerstandskanal handelt, der geöffnet oder geschlossen wird. (Genau wie ein Hahn ist er mit einem kleinen Widerstand offen, mit einem großen Widerstand oder einer kleinen Abstufung dazwischen geschlossen.)

Ein MOSFET hat aber auch eine sogenannte Body-Diode, die durch den kleinen Pfeil angedeutet ist. Diese Body-Diode leitet immer, wenn sie vorwärts vorgespannt ist. Es sieht ungefähr so ​​aus:

schematisch

Diese Schaltung simulieren - Mit CircuitLab erstelltes Schema (seltsame Textbeschriftung beiseite, damit das Bild weniger bombastisch aussieht)

Dies ist bei allen MOSFETs aufgrund ihres internen Aufbaus nicht möglich. Einige MOSFETs werden speziell hergestellt, damit die Diode für bestimmte Anwendungen nützlicher wird, aber es gibt immer eine Diode.

Wie in Kommentaren erwähnt; Die Body-Diode ist eine Folge der Substratverbindung. Ich erinnere mich, dass ich ein oder zwei seltene MOSFET-Typen mit diesem Anschluss an einem separaten Pin gesehen habe, aber sie wären schwer zu finden. (Und wahrscheinlich möchten Sie den Pin aus Gründen der Stromstärke trotzdem normal anschließen.)

Dies bedeutet, dass, wenn Sie nur einen in einem Strompfad verwenden, der auf zwei Arten leiten kann, ein Weg immer mit einem Spannungsabfall von ungefähr einer Diode leiten wird.

Manchmal willst du das, manchmal nicht. Wenn Sie nicht zwei MOSFETs in umgekehrter Reihenfolge anschließen, ergibt sich folgendes Gesamtbild:

schematisch

simulieren Sie diese Schaltung

Wenn die eine Body-Diode leitet, sperrt die andere und umgekehrt.


Im Falle eines Batterieschutzes sind nun beide MOSFETs mit ihrem Gate an einen unabhängigen E / A-Pin angeschlossen, da bei leerer Batterie eine Ladung und bei voller Batterie eine Entladung möglich ist. Der Chip schaltet also nur den MOSFET ein, dessen Diode die zulässigen Richtungen blockiert, und wenn sich die Batterie in einem Extremfall ihres Anwendungsfalls befindet, lässt ihre Body-Diode zumindest Strom in die andere Richtung zu, selbst wenn die Über- oder Unterspannungssituation vorliegt halten eine Weile an, nachdem der Strom zu fließen beginnt.

Ob dies zu Problemen mit der MOSFET-Erwärmung führen kann, wenn sich eine Batterie sehr seltsam verhält, ist ein separater Punkt und hat sich bisher als kein Problem erwiesen. Normalerweise leitet die Body-Diode nur einen Sekundenbruchteil, bevor die Über- / Unterspannung verschwindet und beide MOSFETs wieder einschalten.

Die im Schaltplan gezeigten Dioden haben möglicherweise auf diese Tatsache hingewiesen (meine Augen haben sie anfangs beschönigt), aber es ist auch wahrscheinlich, dass Sie bessere Dioden einsetzen, um höhere sichere Entladeströme von einer vollen Batterie oder Ladeströme von einer leeren Batterie zu unterstützen.

Asmyldof
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Danke für die ausführliche Erklärung. Es macht jetzt vollkommen Sinn!
Ryan Griggs
@ RyanGriggs Keine Sorgen. Und vielen Dank für das Klicken auf die Schaltfläche Akzeptieren :-)
Asmyldof
Es wäre möglich, einen MOSFET ohne eine Body-Diode zwischen Source und Drain aufzubauen; Bei den meisten MOSFETs in einem NMOS- oder CMOS-IC sind die Anoden aller Body-Dioden aller NFETs unabhängig von Source und Drain an die negative Schiene angeschlossen. Diskrete MOSFETs binden den Drain an das Substrat, da die wesentlichste Verbindung zum Substratanschluss besteht (eine gesamte Oberfläche des Transistors steht dafür zur Verfügung), und es wäre eine Verschwendung, ihn nur zum Zwecke der Vorspannung des Substrats und nicht zum Zweck der Vorspannung zu verwenden Zweck der Stromführung.
Supercat
@supercat Du hast recht. Wenn ich mich erinnere, wann es nicht 02:30 Uhr ist, werde ich überlegen, etwas zu bearbeiten. Aber ich erinnere mich an ein paar Diskrete beim Zugriff auf das Substrat vor Jahrzehnten, wie Sie sagen, es ist eine außergewöhnliche Seltenheit.
Asmyldof
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@supercat Fair genug. Ich denke, dies wagt sich in den höchst unwahrscheinlichen Bereich, lässt aber nicht alle möglichen MOSFETs skizzieren. Für den Anfänger (das Publikum dieser Art von Fragen) denke ich, dass wir es bereits übertreiben. Ich fürchte, ich werde den Posten größtenteils so verlassen, wie er ist :-)
Asmyldof
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In der Praxis weist ein Leistungs-MOSFET eine Body-Diode parallel zum Kanal auf. Diese parasitären Dioden sind ein wesentlicher Bestandteil eines Leistungs-MOSFET. Infolgedessen kann ein Leistungs-MOSFET den Strom nur in eine Richtung sperren. Der Schalter in der Batterieschutzschaltung muss den Strom in beide Richtungen blockieren: Laden und Entladen. Aus diesem Grund gibt es zwei gegenüberliegende MOSFETs in Reihe: einen für jede Richtung.

Nick Alexeev
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Ein FET dient zum Blockieren des Ladens und der andere zum Blockieren des Entladens. Dies ermöglicht 3 Betriebsarten: Laden, Entladen und Ruhezustand.

Siehe Abschnitt "Cutoff-FETs und FET-Treiber" in diesem Dokument .

st2000
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