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设计基于功率MOS管的锂电池保护电路

通常，由于磷酸铁锂电源的特性，在应用中需要对其充放电过程进行保护，以免过充过放或过热，以保证电源**的运作。短路保护是放电过程中一种极端恶劣的运作条件，将介绍功率 MOS管在这种运作状态的特点，以及如何选取功率 MOS管型号和设计合适的驱动电路。

电路结构及应用特点

电动自行车的磷酸铁锂电源保护板的放电电路的简化模型如图1所示。Q1为放电管，使用N沟道增强型 MOS管，实际的运作中，根据不同的应用，会使用多个功率 MOS管并联运作，以减小导通电阻，增强散热性能。RS为电源等效内阻，LP为电源引线电感。

正常运作时，控制信号控制 MOS管打开，电源组的端子P+和P-输出电压，供负载使用。此时，功率 MOS管一直处于导通状态，功率损耗只有导通损耗，没有开关损耗，功率 MOS管的总的功率损耗并不高，温升小，因此功率 MOS管可以**运作。

但是，当负载发生短路时，由于回路电阻很小，电源的放电能力很强，所以短路电流从正常运作的几十安培突然增加到几百安培，在这种情况下，功率 MOS管容易损坏。
　　
磷酸铁锂电源短路保护的难点

（1）短路电流大

在电动车中，磷酸铁锂电源的电压一般为36V或48V，短路电流随电源的容量、内阻、线路的寄生电感、短路时的接触电阻变化而变化，通常为几百甚至上千安培。

（2）短路保护时间不能太短

在应用过程中，为了防止瞬态的过载使短路保护电路误动作，因此，短路保护电路具有一定的延时。而且，由于电流检测电阻的误差、电流检测信号和系统响应的延时，通常，根据不同的应用，将短路保护时间设置在200μS至1000μS，这要求功率 MOS管在高的短路电流下，能够在此时间内**的运作，这也提高了系统的设计难度。
短路保护

当短路保护运作时，功率 MOS管一般经过三个运作阶段：完全导通、关断、雪崩，如图2所示，其中VGS为 MOS管驱动电压，VDS为 MOS管漏极电压，ISC为短路电流，图2(b)为图2(a)中关断期间的放大图。

图2：短路过程。(a) 完全导通阶段；(b) 关断和雪崩阶段。

（1）完全导通阶段

如图2(a)所示，短路刚发生时， MOS管处于完全导通状态，电流迅速上升至*大电流，在这个过程，功率 MOS管承受的功耗为PON= ISC2 * RDS(on)，所以具有较小RDS(on)的 MOS管功耗较低。

功率 MOS管的跨导Gfs也会影响功率 MOS管的导通损耗。当 MOS管的Gfs较小且短路电流很大时， MOS管将运作在饱和区，其饱和导通压降很大，如图3所示， MOS管的VDS(ON)在短路时达到14.8V， MOS管功耗会很大，从而导致 MOS管因过功耗而失效。如果 MOS管没有运作在饱和区，则其导通压降应该只有几伏，如图2(a) 中的VDS所示。

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