[導讀]?4、PCM功率MOSFET的性能要求離子電池的容量從早期的600mAh、1000mAh到現(xiàn)在，高達6000mAh、10000mAh，為了實現(xiàn)更快的充電速度，降低充電時間，通常采用提高電流、使用大電流充電的快充技術，那么，大電流充電，對電池包內(nèi)的功率MOSFET就提出了更高的技術...
?4、PCM功率MOSFET的性能要求
離子電池的容量從早期的600mAh、1000mAh到現(xiàn)在，高達6000mAh、10000mAh，為了實現(xiàn)更快的充電速度，降低充電時間，通常采用提高電流、使用大電流充電的快充技術，那么，大電流充電，對電池包內(nèi)的功率MOSFET就提出了更高的技術要求；另外，大容量鋰離子電池在生產(chǎn)線和使用過程中，還有一些特定的技術要求，所有這些因素，都對大容量鋰離子電池包內(nèi)的充、放電管理的功率MOSFET提出了嚴格的技術設計挑戰(zhàn)。
4.1、高功率密度、低功耗、散熱好
大容量鋰離子電池包設計基本的要求就是在一定的體積和重量的條件下，盡可能提高電池的容量，從而提高功率密度，由于其空間非常有限，因此，要求其充、放電管理PCM控制板以及其上面的功率MOSFET，都應該具有更小的體積和尺寸；同時，由于快充時的電流大，要求功率MOSFET在一定的尺寸的限制下，如1.2mm*1.2mm，具有最小的導通電阻RDS（ON）。理論上，更小的RDS（ON）要求更大的晶片尺寸。對于同樣的晶片尺寸，實現(xiàn)更低的RDS（ON），設計上主要從二個方面進行優(yōu)化。
4.1.1、晶圓技術
為了使功率MOSFET實現(xiàn)更低的導通電阻RDS（ON），就必須對功率MOSFET內(nèi)部的結(jié)構(gòu)重新設計，使用各種最新技術，降低內(nèi)部單元結(jié)構(gòu)的晶胞尺寸，提高晶胞單元的密度；同時，改變內(nèi)部的電場分布，在保證同樣的耐壓的前提，盡可能降低晶片的厚度，這樣，功率MOSFET實現(xiàn)超低的FOM值，獲得更低的導通電阻RDS（ON）。
4.1.2、封裝技術
通常功率MOSFET封裝使用引線，為了進一步降低導通電阻，在PCM中，使用新的芯片級CSP的封裝技術，從而完全去除封裝連線電阻。同時，芯片級CSP的封裝技術，具有更低的熱阻，熱量更容易傳導出去，降低功率MOSFET的溫度，提高了其可靠性。
采用CSP封裝技術的功率MOSFET，由于沒有外部塑料殼等材料的保護，在PCM生產(chǎn)加工的過程中，如PCB板焊接過程中，會受到各種熱應力、機械應力的作用，產(chǎn)生開裂的風險大，因此，要采用各種新技術，如在功率MOSFET晶片的表面涂敷新材料，保證其抗機械應力和熱應力的能力，提高可靠性。?4.2、抗短路的能力
大容量鋰離子在應用中，在極端條件下，如遇到輸出負載短路，那么，電池包的輸出端短路后，電池就會流過非常大的電流，IC檢測到輸出過流后，要延時一段時間才能做出保護動作，那么在延時的時間內(nèi)，由于MOSFET的工作電流非常大，這就要求MOSFET具有承受大電流沖擊的能力。因此，現(xiàn)在安規(guī)的要求，所有的鋰離子電池都會做短路測試，以免電池發(fā)生爆炸。
(a) 短路測試通過? ? ? ? ?(b) 短路測試失敗圖19：短路測試波形
理論上，晶片尺寸越大，抗短路沖擊的能力越強。在非常小的晶片尺寸的限制條件下，需要對功率MOSFET的內(nèi)部結(jié)構(gòu)做特定的設計，保證其具有足夠的抗短路大電流沖擊的能力。?4.3、抗雪崩能力
功率MOSFET的雪崩能力表明器件的強狀程度和可靠工作能力，特別是電池包的輸出端短路關斷后，非常容易發(fā)生雪崩。這也要求需要對功率MOSFET的結(jié)構(gòu)做優(yōu)化，保證其具有足夠的雪崩能力。
?(a) 雪崩測試通過?????(b) 雪崩測試失敗圖20：雪崩測試波形?4.4、高的抗dV/dt能力
大容量鋰離子在生產(chǎn)過程中，外部的測試直流電源會直接碰觸電池包的二個輸出端，電路不發(fā)生損壞的直接碰觸的電壓越高，能力越強。這個測試，實際測量的是MOSFET對于dV/dt的耐受能力；而且，在電池包輸出短路、保護關斷過程中，也會有一個非常大的動態(tài)的dV/dt，過大的dV/dt會引起功率MOSFET的動態(tài)雪崩損壞。因此，需要對功率MOSFET的結(jié)構(gòu)做優(yōu)化，保證其具有高的直接碰觸電壓和抗dV/dt的能力。
?(a) 13V測試通過?????(b) 14V測試失敗圖21：直接碰觸電壓測試
4.5、高的抗ESD能力
PCM在生產(chǎn)和使用的過程中，器件需要有足夠強的EDS的能力，在非常小的晶元尺寸的限制條件下，保證其具有足夠強的EDS的能力，同時具有其他的性能，如低的RDS（ON），都需要對功率MOSFET的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。??5、PCM的PCB及熱設計要點
由于PCM控制板一般都是和電池組裝在一起，要求PCB尺寸比較小，發(fā)熱量也不能過高，一般手機應用要求MOSFET在常溫環(huán)境、滿載條件下表面溫度不超過65度。BMS系統(tǒng)可以容忍更高的溫升。
下面以手機快充47W方案為例，充電電壓5V，最大充電電流9.4A。需要并聯(lián)兩顆AOCR38232 （0.8毫歐），電流路徑采用上下對稱，保持電流均衡。兩顆MOSFET之間間隔3厘米，避免相互加熱。盡可能的增加功率路徑鋪銅面積，并且在靠近MOSFET的銅皮上增加散熱孔以增加散熱，減小MOSFET溫升。
圖22：PCM電路板?
用紅外測溫儀測量MOSFET表面溫升，由于不同的器件的表面材質(zhì)不同，產(chǎn)生的光學折射率也不同。AOS普遍使用硅作為表面材質(zhì)，而有些競爭對手使用金屬材料。金屬的光學折射率低于硅，所以使用紅外測量溫度時，金屬表面材質(zhì)的器件會表現(xiàn)出更低的溫升，但真實的溫升并不是如此。
這就要求用紅外測試儀測量MOSFET表面溫升時，需要先用光學折射率接近100%的黑色油漆噴涂器件表面，然后再進行測試，這樣才能得到更準確的溫升數(shù)據(jù)，避免由于材質(zhì)的不同而導致測試誤差。
圖23的結(jié)果顯示，噴涂黑漆后，AOS產(chǎn)品測得的溫升增加了1.3度，而金屬表面材質(zhì)的器件，測得的溫度增加了11.3度。
圖23：PCM板的MOSFET溫度測量
?6、輸出漏電流產(chǎn)生原因及解決方法
6.1、輸出漏電流產(chǎn)生的原因
漏電流問題產(chǎn)生的原因：在電池包生產(chǎn)過程中。當電池端B 、B-有電壓時，充電管和放電管處于關閉狀態(tài)。這時候如果放電管有微小的漏電流，比如100nA，由于輸出端并沒有負載，輸出端呈現(xiàn)高阻抗狀態(tài)，比如10兆歐，此時芯片會檢測輸出端有1V的電壓。以BQ20Z45為例，當輸出P 、P-之間電壓高于0.8V時，芯片會誤判定輸出有充電電壓，會啟動預充電功能，開啟充放電管，嘗試給電池充電。從而導致芯片開始工作，電池的靜態(tài)損耗增加，嚴重時會導致電池電量耗盡。
以常見的30V充放電管為例，通常數(shù)據(jù)表會表示30V的IDSS小于1uA, 實際的筆記本電腦電池應用中，電池電壓通常在9V-13.2V之間。如上述案例中，很難判斷器件在13.2V的電池電壓下，放電管的DS漏電流是不是大于100nA,這樣就很有可能導致充放電管漏電流過大，從而耗光電池電量的情況。
同時，MOSFET廠家在出廠測試IDSS的時候，使用的是300uS的脈沖電壓，是短時間的漏電流測試。工廠的短時間脈沖測試無法保證長時間偏壓情況下的漏電流，從而導致極少量的MOSFET在使用過后IDSS超出數(shù)據(jù)表的現(xiàn)象發(fā)生，也導致器件漏電流過大。
圖24：器件漏電流示意圖
6.2、輸出漏電流的解決辦法
由于實際系統(tǒng)中，電池板的輸出端連接到主板，主板上的電容，電阻，芯片等器件都有一定的漏電流。主板的電池輸入接口測量阻抗普遍低于1兆歐，上述漏電流異常問題，在系統(tǒng)上并不會發(fā)生不良，只是在電池包廠家?guī)齑嫫陂g可能發(fā)生電池電量異常下降的問題。
漏電流問題的解決辦法：
方案一：建議電池包輸出端P 、P-并聯(lián)1兆歐姆電阻，模擬實際客戶實際應用情況，可以有效的避免因為芯片誤檢測而導致的問題。
圖25：漏電流的解決方案
增加1M歐姆電阻后，P 端的漏電流產(chǎn)生的漏電壓下降到0.46V，如表1所示，內(nèi)部MOSFET不會被開通，系統(tǒng)正常。
表1：增加外部電阻后的電壓
增加電阻的不利之處就是會導致電池弱放電，放電的電流為：0.46V/1M=0.46uA。這個電阻放電消耗的電量非常小，使用4100mAH的電池筆記本電腦，10年的消耗的電量不到電池容量的1%，可以忽略。1M歐姆的放電電阻，也可以放在電池生產(chǎn)線的測試工位。
方案二：建議芯片調(diào)整輸出檢測電壓，單節(jié)電池建議從0.8V提高到2.3V，3節(jié)串聯(lián)電池建議提高到6V，這樣可以容忍更高的放電管的漏電流，系統(tǒng)也不會開通內(nèi)部的MOSFET。
高功率密度PCM的MOSFET選型及方案，請參考AOS的網(wǎng)站：www.aosmd.com,或聯(lián)系AOS各地區(qū)的銷售工程師及FAE。
離子電池的容量從早期的600mAh、1000mAh到現(xiàn)在，高達6000mAh、10000mAh，為了實現(xiàn)更快的充電速度，降低充電時間，通常采用提高電流、使用大電流充電的快充技術，那么，大電流充電，對電池包內(nèi)的功率MOSFET就提出了更高的技術要求；另外，大容量鋰離子電池在生產(chǎn)線和使用過程中，還有一些特定的技術要求，所有這些因素，都對大容量鋰離子電池包內(nèi)的充、放電管理的功率MOSFET提出了嚴格的技術設計挑戰(zhàn)。
4.1、高功率密度、低功耗、散熱好
大容量鋰離子電池包設計基本的要求就是在一定的體積和重量的條件下，盡可能提高電池的容量，從而提高功率密度，由于其空間非常有限，因此，要求其充、放電管理PCM控制板以及其上面的功率MOSFET，都應該具有更小的體積和尺寸；同時，由于快充時的電流大，要求功率MOSFET在一定的尺寸的限制下，如1.2mm*1.2mm，具有最小的導通電阻RDS（ON）。理論上，更小的RDS（ON）要求更大的晶片尺寸。對于同樣的晶片尺寸，實現(xiàn)更低的RDS（ON），設計上主要從二個方面進行優(yōu)化。
4.1.1、晶圓技術
為了使功率MOSFET實現(xiàn)更低的導通電阻RDS（ON），就必須對功率MOSFET內(nèi)部的結(jié)構(gòu)重新設計，使用各種最新技術，降低內(nèi)部單元結(jié)構(gòu)的晶胞尺寸，提高晶胞單元的密度；同時，改變內(nèi)部的電場分布，在保證同樣的耐壓的前提，盡可能降低晶片的厚度，這樣，功率MOSFET實現(xiàn)超低的FOM值，獲得更低的導通電阻RDS（ON）。
4.1.2、封裝技術
通常功率MOSFET封裝使用引線，為了進一步降低導通電阻，在PCM中，使用新的芯片級CSP的封裝技術，從而完全去除封裝連線電阻。同時，芯片級CSP的封裝技術，具有更低的熱阻，熱量更容易傳導出去，降低功率MOSFET的溫度，提高了其可靠性。
采用CSP封裝技術的功率MOSFET，由于沒有外部塑料殼等材料的保護，在PCM生產(chǎn)加工的過程中，如PCB板焊接過程中，會受到各種熱應力、機械應力的作用，產(chǎn)生開裂的風險大，因此，要采用各種新技術，如在功率MOSFET晶片的表面涂敷新材料，保證其抗機械應力和熱應力的能力，提高可靠性。?4.2、抗短路的能力
大容量鋰離子在應用中，在極端條件下，如遇到輸出負載短路，那么，電池包的輸出端短路后，電池就會流過非常大的電流，IC檢測到輸出過流后，要延時一段時間才能做出保護動作，那么在延時的時間內(nèi)，由于MOSFET的工作電流非常大，這就要求MOSFET具有承受大電流沖擊的能力。因此，現(xiàn)在安規(guī)的要求，所有的鋰離子電池都會做短路測試，以免電池發(fā)生爆炸。
(a) 短路測試通過? ? ? ? ?(b) 短路測試失敗圖19：短路測試波形
理論上，晶片尺寸越大，抗短路沖擊的能力越強。在非常小的晶片尺寸的限制條件下，需要對功率MOSFET的內(nèi)部結(jié)構(gòu)做特定的設計，保證其具有足夠的抗短路大電流沖擊的能力。?4.3、抗雪崩能力
功率MOSFET的雪崩能力表明器件的強狀程度和可靠工作能力，特別是電池包的輸出端短路關斷后，非常容易發(fā)生雪崩。這也要求需要對功率MOSFET的結(jié)構(gòu)做優(yōu)化，保證其具有足夠的雪崩能力。
?(a) 雪崩測試通過?????(b) 雪崩測試失敗圖20：雪崩測試波形?4.4、高的抗dV/dt能力
大容量鋰離子在生產(chǎn)過程中，外部的測試直流電源會直接碰觸電池包的二個輸出端，電路不發(fā)生損壞的直接碰觸的電壓越高，能力越強。這個測試，實際測量的是MOSFET對于dV/dt的耐受能力；而且，在電池包輸出短路、保護關斷過程中，也會有一個非常大的動態(tài)的dV/dt，過大的dV/dt會引起功率MOSFET的動態(tài)雪崩損壞。因此，需要對功率MOSFET的結(jié)構(gòu)做優(yōu)化，保證其具有高的直接碰觸電壓和抗dV/dt的能力。
?(a) 13V測試通過?????(b) 14V測試失敗圖21：直接碰觸電壓測試
4.5、高的抗ESD能力
PCM在生產(chǎn)和使用的過程中，器件需要有足夠強的EDS的能力，在非常小的晶元尺寸的限制條件下，保證其具有足夠強的EDS的能力，同時具有其他的性能，如低的RDS（ON），都需要對功率MOSFET的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。??5、PCM的PCB及熱設計要點
由于PCM控制板一般都是和電池組裝在一起，要求PCB尺寸比較小，發(fā)熱量也不能過高，一般手機應用要求MOSFET在常溫環(huán)境、滿載條件下表面溫度不超過65度。BMS系統(tǒng)可以容忍更高的溫升。
下面以手機快充47W方案為例，充電電壓5V，最大充電電流9.4A。需要并聯(lián)兩顆AOCR38232 （0.8毫歐），電流路徑采用上下對稱，保持電流均衡。兩顆MOSFET之間間隔3厘米，避免相互加熱。盡可能的增加功率路徑鋪銅面積，并且在靠近MOSFET的銅皮上增加散熱孔以增加散熱，減小MOSFET溫升。
圖22：PCM電路板?
用紅外測溫儀測量MOSFET表面溫升，由于不同的器件的表面材質(zhì)不同，產(chǎn)生的光學折射率也不同。AOS普遍使用硅作為表面材質(zhì)，而有些競爭對手使用金屬材料。金屬的光學折射率低于硅，所以使用紅外測量溫度時，金屬表面材質(zhì)的器件會表現(xiàn)出更低的溫升，但真實的溫升并不是如此。
這就要求用紅外測試儀測量MOSFET表面溫升時，需要先用光學折射率接近100%的黑色油漆噴涂器件表面，然后再進行測試，這樣才能得到更準確的溫升數(shù)據(jù)，避免由于材質(zhì)的不同而導致測試誤差。
圖23的結(jié)果顯示，噴涂黑漆后，AOS產(chǎn)品測得的溫升增加了1.3度，而金屬表面材質(zhì)的器件，測得的溫度增加了11.3度。
圖23：PCM板的MOSFET溫度測量
?6、輸出漏電流產(chǎn)生原因及解決方法
6.1、輸出漏電流產(chǎn)生的原因
漏電流問題產(chǎn)生的原因：在電池包生產(chǎn)過程中。當電池端B 、B-有電壓時，充電管和放電管處于關閉狀態(tài)。這時候如果放電管有微小的漏電流，比如100nA，由于輸出端并沒有負載，輸出端呈現(xiàn)高阻抗狀態(tài)，比如10兆歐，此時芯片會檢測輸出端有1V的電壓。以BQ20Z45為例，當輸出P 、P-之間電壓高于0.8V時，芯片會誤判定輸出有充電電壓，會啟動預充電功能，開啟充放電管，嘗試給電池充電。從而導致芯片開始工作，電池的靜態(tài)損耗增加，嚴重時會導致電池電量耗盡。
以常見的30V充放電管為例，通常數(shù)據(jù)表會表示30V的IDSS小于1uA, 實際的筆記本電腦電池應用中，電池電壓通常在9V-13.2V之間。如上述案例中，很難判斷器件在13.2V的電池電壓下，放電管的DS漏電流是不是大于100nA,這樣就很有可能導致充放電管漏電流過大，從而耗光電池電量的情況。
同時，MOSFET廠家在出廠測試IDSS的時候，使用的是300uS的脈沖電壓，是短時間的漏電流測試。工廠的短時間脈沖測試無法保證長時間偏壓情況下的漏電流，從而導致極少量的MOSFET在使用過后IDSS超出數(shù)據(jù)表的現(xiàn)象發(fā)生，也導致器件漏電流過大。
圖24：器件漏電流示意圖
6.2、輸出漏電流的解決辦法
由于實際系統(tǒng)中，電池板的輸出端連接到主板，主板上的電容，電阻，芯片等器件都有一定的漏電流。主板的電池輸入接口測量阻抗普遍低于1兆歐，上述漏電流異常問題，在系統(tǒng)上并不會發(fā)生不良，只是在電池包廠家?guī)齑嫫陂g可能發(fā)生電池電量異常下降的問題。
漏電流問題的解決辦法：
方案一：建議電池包輸出端P 、P-并聯(lián)1兆歐姆電阻，模擬實際客戶實際應用情況，可以有效的避免因為芯片誤檢測而導致的問題。
圖25：漏電流的解決方案
增加1M歐姆電阻后，P 端的漏電流產(chǎn)生的漏電壓下降到0.46V，如表1所示，內(nèi)部MOSFET不會被開通，系統(tǒng)正常。
表1：增加外部電阻后的電壓
增加電阻的不利之處就是會導致電池弱放電，放電的電流為：0.46V/1M=0.46uA。這個電阻放電消耗的電量非常小，使用4100mAH的電池筆記本電腦，10年的消耗的電量不到電池容量的1%，可以忽略。1M歐姆的放電電阻，也可以放在電池生產(chǎn)線的測試工位。
方案二：建議芯片調(diào)整輸出檢測電壓，單節(jié)電池建議從0.8V提高到2.3V，3節(jié)串聯(lián)電池建議提高到6V，這樣可以容忍更高的放電管的漏電流，系統(tǒng)也不會開通內(nèi)部的MOSFET。
高功率密度PCM的MOSFET選型及方案，請參考AOS的網(wǎng)站：www.aosmd.com,或聯(lián)系AOS各地區(qū)的銷售工程師及FAE。
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