【導讀】自走式電器連接充電器的方式，通常是將電器上的一對金屬觸點與充電器上的對應(yīng)觸點對準。由于這些觸點通常位于電器底部，當電器通過裸露的金屬物體時可能會有短路風險。掃地機器人有可能通過地毯的金屬收口條，或者割草機會碰到草地中隱藏的各種金屬物體。
使用 MOSFET 作為理想二極管，為新一代自動化電器提供穩(wěn)健可靠的安全保護。
無線電器上的安全隔離
隨著家用和工業(yè)用無線電器逐漸普及，電池放電保護的需求也隨之出現(xiàn)。兩個突出的例子是自動割草機和掃地機器人，它們需要充電或閑置時會自動返回充電座。
自走式電器連接充電器的方式，通常是將電器上的一對金屬觸點與充電器上的對應(yīng)觸點對準。由于這些觸點通常位于電器底部，當電器通過裸露的金屬物體時可能會有短路風險。掃地機器人有可能通過地毯的金屬收口條，或者割草機會碰到草地中隱藏的各種金屬物體。
因此，無人看管的自動化電器的操作安全需要重點考慮，尤其是充電端口發(fā)生短路時，有可能會釋放非常高的電池放電電流。
電池放電保護
保護充電觸點進而避免短路有許多不同方法。安裝可移動的保護罩或保護蓋，當電器與充電器斷開連接時可以提供保護，或者可以將觸點設(shè)計為收縮式。但是這種機械設(shè)計會增加額外成本，而且保護罩可能會破裂或發(fā)生故障。另外也可以在電路設(shè)計中加入機械操作開關(guān)，以便在電器與充電器斷開后自動隔離觸點。
但如果使用電子保護電路，就不需要可移動的零件，還可提供更穩(wěn)健可靠的解決方案。可采用的一種方式是通過簡單的二極管配置。然而二極管正向偏置時，兩端的壓降會降低傳輸?shù)诫姵氐某潆婋妷?，進而導致不想要的功率耗損。
具有典型正向電壓 VF = 0.55V 特性的二極管整流器會導致 3A 充電電流下消耗 1.65W (P = I x VF)。
某些電器制造商會通過使用 MOSFET 實現(xiàn)反向放電保護來解決這個問題。開啟充電時，MOSFET 的低導通電阻 (RDS(on)) 確保充電電壓降幅最小，進而確保最佳充電效率和電池使用時間。此外，功率耗損也會降至最低。
具有RDS(on) 為 33mΩ 特性的 P 型 MOSFET (例如 DMP4047LFDE)，可將電池充電電壓降幅僅為 99mV，從而將功率耗損大幅降低至 0.297W (P = I2 x R)。
理想二極管控制器
Diodes 公司的 DZDH0401DW 簡化控制 MOSFET 所需的電路設(shè)計。該器件是一款理想二極管控制器，采用小巧的 SOT363 封裝技術(shù)，尺寸僅為 2.15mm x 2.1mm x 1mm。小尺寸有助于工程師設(shè)計內(nèi)部空間受限的設(shè)備，例如無線電器和小型電動工具。該器件也可以用于冗余電源和熱插拔電源，以及通用型高側(cè)柵極驅(qū)動，從而提供高側(cè)隔離開關(guān)解決方案。
DZDH0401DW 適用于工作電壓最高達 40V 的系統(tǒng)，通過驅(qū)動 P 通道 MOSFET 模擬理想二極管。該器件工作時相當于差分放大器和 PMOS 控制器，當輸入端感測到電壓大于輸出端電壓時，可以將正向電流損耗降至最低。相反地，當感測到輸入電壓小于輸出電壓時，能夠提供高度隔離。
圖 1：電器的電池放電保護電路。
圖 1 顯示無線電器上的電池放電保護應(yīng)用電路。連接電源時，MOSFET (Q1) 的體二極管(Body Diode)變成正向偏置。DZDH0401DW 內(nèi)部漏極二極管(Drain Diode)將集成 PNP 雙極晶體管的基極保持在 VIN – VF(DIODE)，導致晶體管沒有足夠的 VBE 來開啟。當 Q1 的柵極電容(Gate Capacitance)通過外部連接的電阻器 Rbias 充電時，Q1 會開啟并且其 RDS 降低，導致 VDS 同步降低。晶體管兩端的 VBE 因而開始上升并使晶體管導通。當 Q1 RDS 達到最低值 (RDS(on)) 時，集成晶體管的 VBE 位于最高值，且 IC 為最大值。在這些條件下，VGS 應(yīng)該要足夠高以確保線性工作。
Rref 和 Rbias 分別通過漏極二極管(Drain Diode)和集成晶體管的集電極(Collector)來設(shè)定電流，使 VF(DIODE) 大于 VBE(on)。Rbias 決定 MOSFET 的導通速度。當理想二極管電路導通時，內(nèi)部晶體管會由漏極二極管關(guān)斷，導致 MOSFET 電壓下降。Rbias 將柵極拉低并導通 MOSFET。選擇電阻器的阻值將電路的靜態(tài)電流工作降至最低。
斷開電源時，移除輸入電壓，VDS 會小于控制器的關(guān)閉閾值電壓 (VT)。由于 Q1 仍然處于開啟狀態(tài)，VIN 節(jié)點與電池的 VOUT 相同。這會導致 Rref 的壓降 VREF 下降。當內(nèi)部晶體管導通時，Q1 柵極電容通過其放電，MOSFET 關(guān)閉，進而在輸入和輸出之間實現(xiàn)高度隔離。Rref 的值決定 MOSFET 的關(guān)閉速度。較低的阻值會提升晶體管的基極驅(qū)動，因此晶體管能更快地使柵極短路，從而關(guān)閉 MOSFET。
圖 2：自動割草機和掃地機器人的設(shè)計中對電池放電保護的新需求。
結(jié)論
具有低導通電阻 (RDS(on)) 特性的 MOSFET ，作為理想二極管進行控制時，可以有效應(yīng)用于消費類電器的電池放電保護，這也一直是反向電流保護和電源 OR-ing 電路的首選器件。簡單的單芯片控制器能夠簡化實操，有效節(jié)省空間、提升電池性能并增加能源效率。
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