本篇我們將介紹如何為開關應用選擇合適的MOSFET。以行動裝置中所使用的鋰離子二次電池的保護電路為例，使用MITSUMI ELECTRIC所製造的MM3860等保護IC以及我們的MOSFET：SSM6N951L、SSM10N954L和SSM14N956L。本篇中所描述的項目包括過充電、過放電電壓施加、充電時的電路行為、過電流、放電過電流、短路電流時的情況。
鋰離子充電電池因其高能量密度而被廣泛應用於許多移動設備中，這使得增加單位體積的電池容量成為可能，並且它們更緊湊、更薄、更輕。最新的技術創新已經允許在不增加尺寸的情況下增加電池容量，從而延長移動裝置的使用壽命。然而，一個挑戰是大容量電池可能導致較長的充電時間。為了解決這一問題，快速充電技術已經被開發並成為主流。鋰離子電池通常配備有保護電路板（PCBs）以確保安全使用，這些電路能夠監控電池狀態，如充電和放電過程中的熱量，並在檢測到異常時停止充電或放電。這些開關與電池串聯使用，位於電池和充電器或負載之間。因此，在開關處進行高效率充電和放電時，需要盡量減少功率損耗。對於需要薄型鋰離子電池的移動應用來說，保護電路也必須小巧且薄。因此，選擇低導通電阻、緊湊封裝的 MOSFET 用於保護電路中的開關至關重要。本篇將介紹了如何為移動裝置中使用的鋰離子電池選擇合適的 MOSFET，並提供了與我們的保護 IC 搭配使用的範例，如 SSM6N951L、SSM10N954L 和 SSM14N956L。
首先，我們將介紹鋰離子電池和保護電路，圖1. 展示了鋰離子電池的外觀。袋式鋰離子電池通常用於便攜式設備，電池元件被封裝在一個層壓外殼內。雖然軟包裝有助於產品薄型化，但用於保護電路的空間非常有限。
圖1. Image of Lithium-Ion Battery(註一:Propose MOSFET Optimized for Protection Circuitry of Lithium-Ion Batteries Used in Mobile Devices)
保護電路是由電池保護IC構成，用以監控充放電狀態，並偵測過充、過放等異常情況，進行開關控制。低側開關通常使用MOSFET。圖.2 展示了一個典型的保護電路框圖。保護電路有兩種類型：一種是利用MOSFET的導通電阻來檢測電流，另一種是使用分流電阻。使用MOSFET時，其導通電阻會隨著放電電壓和溫度變化而改變，因此其精度不如使用分流電阻。由於這個原因，隨著充電電流的增加和對精度要求的提高，越來越多地採用分流電阻的方法。
鋰離子充電電池因其高能量密度而被廣泛應用於許多移動設備中，這使得增加單位體積的電池容量成為可能，並且它們更緊湊、更薄、更輕。最新的技術創新已經允許在不增加尺寸的情況下增加電池容量，從而延長移動裝置的使用壽命。然而，一個挑戰是大容量電池可能導致較長的充電時間。為了解決這一問題，快速充電技術已經被開發並成為主流。鋰離子電池通常配備有保護電路板（PCBs）以確保安全使用，這些電路能夠監控電池狀態，如充電和放電過程中的熱量，並在檢測到異常時停止充電或放電。這些開關與電池串聯使用，位於電池和充電器或負載之間。因此，在開關處進行高效率充電和放電時，需要盡量減少功率損耗。對於需要薄型鋰離子電池的移動應用來說，保護電路也必須小巧且薄。因此，選擇低導通電阻、緊湊封裝的 MOSFET 用於保護電路中的開關至關重要。本篇將介紹了如何為移動裝置中使用的鋰離子電池選擇合適的 MOSFET，並提供了與我們的保護 IC 搭配使用的範例，如 SSM6N951L、SSM10N954L 和 SSM14N956L。
首先，我們將介紹鋰離子電池和保護電路，圖1. 展示了鋰離子電池的外觀。袋式鋰離子電池通常用於便攜式設備，電池元件被封裝在一個層壓外殼內。雖然軟包裝有助於產品薄型化，但用於保護電路的空間非常有限。
圖1. Image of Lithium-Ion Battery(註一:Propose MOSFET Optimized for Protection Circuitry of Lithium-Ion Batteries Used in Mobile Devices)
保護電路是由電池保護IC構成，用以監控充放電狀態，並偵測過充、過放等異常情況，進行開關控制。低側開關通常使用MOSFET。圖.2 展示了一個典型的保護電路框圖。保護電路有兩種類型：一種是利用MOSFET的導通電阻來檢測電流，另一種是使用分流電阻。使用MOSFET時，其導通電阻會隨著放電電壓和溫度變化而改變，因此其精度不如使用分流電阻。由於這個原因，隨著充電電流的增加和對精度要求的提高，越來越多地採用分流電阻的方法。
圖2. Example of Typical Protection Circuit Block Diagram (註一:Propose MOSFET Optimized for Protection Circuitry of Lithium-Ion Batteries Used in Mobile Devices)
接下來，我們將探討MOSFET作為開關元件在典型鋰離子充電電池保護電路中所需的性能特點，首先先將從保護線路對MOSFET的要求開始介紹，第一個要求為低導通電阻，因為在鋰離子電池的保護電路中，充電過程中電流方向會發生變化。如圖3. 所示，充電和放電都需要低側MOSFET。一種方法是使用共漏極MOSFET，將漏極引腳互相連接，形成雙向開關。但這會導致傳導損耗加倍，因為兩個MOSFET都在工作。因此，最佳選擇是使用導通電阻最低的MOSFET來減少損耗。隨著電流增加，導通電阻對性能的影響越來越大，尤其是一些快速充電協議要求高達5A的充電電流。
圖3. Current Direction during Charging and Discharging (註一:Propose MOSFET Optimized for Protection Circuitry of Lithium-Ion Batteries Used in Mobile Devices)
第二個要求是封裝必須小巧，因為小而薄的封裝可以減少所需的安裝空間。鋰離子電池的保護電路通常安裝在電池側面，而電池和元件則安裝在寬度約為3mm的板上，因此受到嚴格的空間限制。如前所述，汲極連接通常用於MOSFET中配置雙向開關，但由於需要使用兩個MOSFET，所選組件必須適應這些空間限制。因此，採用最小和最薄封裝的MOSFET將會非常有幫助。
第三個要求則是最小化導通電阻的變化，以提高錯誤檢測的準確性。在不包含分流電阻的保護電路中，如圖2. 所示，電池保護IC監測VSS引腳與V-引腳之間的電壓，以監控過充電、過放電並檢測過電流。在此檢測方法中，MOSFET的導通電阻變化會反映為偵測電壓的變化。因此，為了提升檢測精度，必須將MOSFET的導通電阻變化降至最低。MOSFET的導通電阻會隨著閘極驅動電壓的變化而變化，而由於電池芯用於閘極驅動，MOSFET的導通電阻也會隨著電池電壓的變化而變化。此外，還必須考慮工作溫度對MOSFET導通電阻的影響。因此，最理想的是使用能夠最小化閘極驅動電壓和工作溫度引起的導通電阻變化的MOSFET。在下一篇，我們將根據這些性能要求，為我們的SSM6N951L提出解決方案。
參考來源