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[導(dǎo)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(dá)6000mAh、10000mAh,為了實(shí)現(xiàn)更快的充電速度,降低充電時(shí)間,通常采用提高電流、使用大電流充電的快充技術(shù),那么,大電流充電,對(duì)電池包內(nèi)的功率MOSFET就提出了更高的技術(shù)...

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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(dá)6000mAh、10000mAh,為了實(shí)現(xiàn)更快的充電速度,降低充電時(shí)間,通常采用提高電流、使用大電流充電的快充技術(shù),那么,大電流充電,對(duì)電池包內(nèi)的功率MOSFET就提出了更高的技術(shù)要求;另外,大容量鋰離子電池在生產(chǎn)線和使用過(guò)程中,還有一些特定的技術(shù)要求,所有這些因素,都對(duì)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(yán)格的技術(shù)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(yīng)該具有更小的體積和尺寸;同時(shí),由于快充時(shí)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(dǎo)通電阻RDS(ON)。理論上,更小的RDS(ON)要求更大的晶片尺寸。對(duì)于同樣的晶片尺寸,實(shí)現(xiàn)更低的RDS(ON),設(shè)計(jì)上主要從二個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化。


4.1.1、晶圓技術(shù)


為了使功率MOSFET實(shí)現(xiàn)更低的導(dǎo)通電阻RDS(ON),就必須對(duì)功率MOSFET內(nèi)部的結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì),使用各種最新技術(shù),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(shí),改變內(nèi)部的電場(chǎng)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(shí)現(xiàn)超低的FOM值,獲得更低的導(dǎo)通電阻RDS(ON)


4.1.2、封裝技術(shù)


通常功率MOSFET封裝使用引線,為了進(jìn)一步降低導(dǎo)通電阻,在PCM中,使用新的芯片級(jí)CSP的封裝技術(shù),從而完全去除封裝連線電阻。同時(shí),芯片級(jí)CSP的封裝技術(shù),具有更低的熱阻,熱量更容易傳導(dǎo)出去,降低功率MOSFET的溫度,提高了其可靠性。


采用CSP封裝技術(shù)的功率MOSFET,由于沒(méi)有外部塑料殼等材料的保護(hù),在PCM生產(chǎn)加工的過(guò)程中,如PCB板焊接過(guò)程中,會(huì)受到各種熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力的作用,產(chǎn)生開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)大,因此,要采用各種新技術(shù),如在功率MOSFET晶片的表面涂敷新材料,保證其抗機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力的能力,提高可靠性。

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4.2、抗短路的能力


大容量鋰離子在應(yīng)用中,在極端條件下,如遇到輸出負(fù)載短路,那么,電池包的輸出端短路后,電池就會(huì)流過(guò)非常大的電流,IC檢測(cè)到輸出過(guò)流后,要延時(shí)一段時(shí)間才能做出保護(hù)動(dòng)作,那么在延時(shí)的時(shí)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(huì)做短路測(cè)試,以免電池發(fā)生爆炸。


(a) 短路測(cè)試通過(guò)? ? ? ? ?(b) 短路測(cè)試失敗

圖19:短路測(cè)試波形


理論上,晶片尺寸越大,抗短路沖擊的能力越強(qiáng)。在非常小的晶片尺寸的限制條件下,需要對(duì)功率MOSFET的內(nèi)部結(jié)構(gòu)做特定的設(shè)計(jì),保證其具有足夠的抗短路大電流沖擊的能力。

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4.3、抗雪崩能力


功率MOSFET的雪崩能力表明器件的強(qiáng)狀程度和可靠工作能力,特別是電池包的輸出端短路關(guān)斷后,非常容易發(fā)生雪崩。這也要求需要對(duì)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(cè)試通過(guò)?????(b) 雪崩測(cè)試失敗

圖20:雪崩測(cè)試波形

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4.4、高的抗dV/dt能力


大容量鋰離子在生產(chǎn)過(guò)程中,外部的測(cè)試直流電源會(huì)直接碰觸電池包的二個(gè)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(qiáng)。這個(gè)測(cè)試,實(shí)際測(cè)量的是MOSFET對(duì)于dV/dt的耐受能力;而且,在電池包輸出短路、保護(hù)關(guān)斷過(guò)程中,也會(huì)有一個(gè)非常大的動(dòng)態(tài)的dV/dt,過(guò)大的dV/dt會(huì)引起功率MOSFET的動(dòng)態(tài)雪崩損壞。因此,需要對(duì)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(cè)試通過(guò)?????(b) 14V測(cè)試失敗

圖21:直接碰觸電壓測(cè)試


4.5、高的ESD能力


PCM在生產(chǎn)和使用的過(guò)程中,器件需要有足夠強(qiáng)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(qiáng)的EDS的能力,同時(shí)具有其他的性能,如低的RDS(ON),都需要對(duì)功率MOSFET的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。?

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5、PCM的PCB及熱設(shè)計(jì)要點(diǎn)


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(guò)高,一般手機(jī)應(yīng)用要求MOSFET在常溫環(huán)境、滿載條件下表面溫度不超過(guò)65度。BMS系統(tǒng)可以容忍更高的溫升。


下面以手機(jī)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(duì)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(cè)溫儀測(cè)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(xué)折射率也不同。AOS普遍使用硅作為表面材質(zhì),而有些競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手使用金屬材料。金屬的光學(xué)折射率低于硅,所以使用紅外測(cè)量溫度時(shí),金屬表面材質(zhì)的器件會(huì)表現(xiàn)出更低的溫升,但真實(shí)的溫升并不是如此。


這就要求用紅外測(cè)試儀測(cè)量MOSFET表面溫升時(shí),需要先用光學(xué)折射率接近100%的黑色油漆噴涂器件表面,然后再進(jìn)行測(cè)試,這樣才能得到更準(zhǔn)確的溫升數(shù)據(jù),避免由于材質(zhì)的不同而導(dǎo)致測(cè)試誤差。


圖23的結(jié)果顯示,噴涂黑漆后,AOS產(chǎn)品測(cè)得的溫升增加了1.3度,而金屬表面材質(zhì)的器件,測(cè)得的溫度增加了11.3度。


圖23:PCM板的MOSFET溫度測(cè)量

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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(wèn)題產(chǎn)生的原因:在電池包生產(chǎn)過(guò)程中。當(dāng)電池端B 、B-有電壓時(shí),充電管和放電管處于關(guān)閉狀態(tài)。這時(shí)候如果放電管有微小的漏電流,比如100nA,由于輸出端并沒(méi)有負(fù)載,輸出端呈現(xiàn)高阻抗?fàn)顟B(tài),比如10兆歐,此時(shí)芯片會(huì)檢測(cè)輸出端有1V的電壓。以BQ20Z45為例,當(dāng)輸出P 、P-之間電壓高于0.8V時(shí),芯片會(huì)誤判定輸出有充電電壓,會(huì)啟動(dòng)預(yù)充電功能,開(kāi)啟充放電管,嘗試給電池充電。從而導(dǎo)致芯片開(kāi)始工作,電池的靜態(tài)損耗增加,嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致電池電量耗盡。


以常見(jiàn)的30V充放電管為例,通常數(shù)據(jù)表會(huì)表示30V的IDSS小于1uA, 實(shí)際的筆記本電腦電池應(yīng)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(dǎo)致充放電管漏電流過(guò)大,從而耗光電池電量的情況。


同時(shí),MOSFET廠家在出廠測(cè)試IDSS的時(shí)候,使用的是300uS的脈沖電壓,是短時(shí)間的漏電流測(cè)試。工廠的短時(shí)間脈沖測(cè)試無(wú)法保證長(zhǎng)時(shí)間偏壓情況下的漏電流,從而導(dǎo)致極少量的MOSFET在使用過(guò)后IDSS超出數(shù)據(jù)表的現(xiàn)象發(fā)生,也導(dǎo)致器件漏電流過(guò)大。


24:器件漏電流示意圖


6.2、輸出漏電流的解決辦法


由于實(shí)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(cè)量阻抗普遍低于1兆歐,上述漏電流異常問(wèn)題,在系統(tǒng)上并不會(huì)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(wèn)題。


漏電流問(wèn)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(shí)際客戶實(shí)際應(yīng)用情況,可以有效的避免因?yàn)樾酒`檢測(cè)而導(dǎo)致的問(wèn)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(huì)被開(kāi)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(huì)導(dǎo)致電池弱放電,放電的電流為:0.46V/1M=0.46uA。這個(gè)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(cè)試工位。


方案二:建議芯片調(diào)整輸出檢測(cè)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(huì)開(kāi)通內(nèi)部的MOSFET。


高功率密度PCM的MOSFET選型及方案,請(qǐng)參考AOS的網(wǎng)站:www.aosmd.com,或聯(lián)系A(chǔ)OS各地區(qū)的銷售工程師及FAE。

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