自走式电器上的电池放电保护
作者: Diodes 公司分立产品营销经理 Shane Timmons
使用 MOSFET 作为理想二极管，为新一代自动化电器提供稳健可靠的安全保护。
无线电器上的安全隔离
随着家用和工业用无线电器逐渐普及，电池放电保护的需求也随之出现。两个突出的例子是自动割草机和扫地机器人，它们需要充电或闲置时会自动返回充电座。
自走式电器连接充电器的方式，通常是将电器上的一对金属触点与充电器上的对应触点对准。由于这些触点通常位于电器底部，当电器通过裸露的金属物体时可能会有短路风险。扫地机器人有可能通过地毯的金属收口条，或者割草机会碰到草地中隐藏的各种金属物体。
因此，无人看管的自动化电器的操作安全需要重点考虑，尤其是充电端口发生短路时，有可能会释放非常高的电池放电电流。
电池放电保护
保护充电触点进而避免短路有许多不同方法。安装可移动的保护罩或保护盖，当电器与充电器断开连接时可以提供保护，或者可以将触点设计为收缩式。但是这种机械设计会增加额外成本，而且保护罩可能会破裂或发生故障。另外也可以在电路设计中加入机械操作开关，以便在电器与充电器断开后自动隔离触点。
但如果使用电子保护电路，就不需要可移动的零件，还可提供更稳健可靠的解决方案。可采用的一种方式是通过简单的二极管配置。然而二极管正向偏置时，两端的压降会降低传输到电池的充电电压，进而导致不想要的功率耗损。
具有典型正向电压 VF = 0.55V 特性的二极管整流器会导致 3A 充电电流下消耗 1.65W (P = I x VF)。
某些电器制造商会通过使用 MOSFET 实现反向放电保护来解决这个问题。开启充电时，MOSFET 的低导通电阻 (RDS(on)) 确保充电电压降幅最小，进而确保最佳充电效率和电池使用时间。此外，功率耗损也会降至最低。
具有RDS(on) 为 33mΩ 特性的 P 型 MOSFET (例如 DMP4047LFDE)，可将电池充电电压降幅仅为 99mV，从而将功率耗损大幅降低至 0.297W (P = I2 x R)。
理想二极管控制器
Diodes 公司的 DZDH0401DW 简化控制 MOSFET 所需的电路设计。该器件是一款理想二极管控制器，采用小巧的 SOT363 封装技术，尺寸仅为 2.15mm x 2.1mm x 1mm。小尺寸有助于工程师设计内部空间受限的设备，例如无线电器和小型电动工具。该器件也可以用于冗余电源和热插拔电源，以及通用型高侧栅极驱动，从而提供高侧隔离开关解决方案。
DZDH0401DW 适用于工作电压最高达 40V 的系统，通过驱动 P 通道 MOSFET 模拟理想二极管。该器件工作时相当于差分放大器和 PMOS 控制器，当输入端感测到电压大于输出端电压时，可以将正向电流损耗降至最低。相反地，当感测到输入电压小于输出电压时，能够提供高度隔离。
图 1：电器的电池放电保护电路。
图 1 显示无线电器上的电池放电保护应用电路。连接电源时，MOSFET (Q1) 的体二极管(Body Diode)变成正向偏置。DZDH0401DW 内部漏极二极管(Drain Diode)将集成 PNP 双极晶体管的基极保持在 VIN – VF(DIODE)，导致晶体管没有足够的 VBE 来开启。当 Q1 的栅极电容(Gate Capacitance)通过外部连接的电阻器 Rbias 充电时，Q1 会开启并且其 RDS 降低，导致 VDS 同步降低。晶体管两端的 VBE 因而开始上升并使晶体管导通。当 Q1 RDS 达到最低值 (RDS(on)) 时，集成晶体管的 VBE 位于最高值，且 IC 为最大值。在这些条件下，VGS 应该要足够高以确保线性工作。
Rref 和 Rbias 分别通过漏极二极管(Drain Diode)和集成晶体管的集电极(Collector)来设定电流，使 VF(DIODE) 大于 VBE(on)。Rbias 决定 MOSFET 的导通速度。当理想二极管电路导通时，内部晶体管会由漏极二极管关断，导致 MOSFET 电压下降。Rbias 将栅极拉低并导通 MOSFET。选择电阻器的阻值将电路的静态电流工作降至最低。
断开电源时，移除输入电压，VDS 会小于控制器的关闭阈值电压 (VT)。由于 Q1 仍然处于开启状态，VIN 节点与电池的 VOUT 相同。这会导致 Rref 的压降 VREF 下降。当内部晶体管导通时，Q1 栅极电容通过其放电，MOSFET 关闭，进而在输入和输出之间实现高度隔离。Rref 的值决定 MOSFET 的关闭速度。较低的阻值会提升晶体管的基极驱动，因此晶体管能更快地使栅极短路，从而关闭 MOSFET。
图 2：自动割草机和扫地机器人的设计中对电池放电保护的新需求。
结论
具有低导通电阻 (RDS(on)) 特性的 MOSFET ，作为理想二极管进行控制时，可以有效应用于消费类电器的电池放电保护，这也一直是反向电流保护和电源 OR-ing 电路的首选器件。简单的单芯片控制器能够简化实操，有效节省空间、提升电池性能并增加能源效率。
