深度剖析MAX1894/MAX1924：高級鋰電池組保護(hù)器的卓越之選

在當(dāng)今電子設(shè)備高度依賴鋰電池的時代，電池的保護(hù)顯得尤為重要。MAX1894/MAX1924作為高級鋰（Li+）電池組保護(hù)器，為3或4串聯(lián)鋰電池組提供了全面且可靠的保護(hù)方案。下面我們就來深入了解一下這款產(chǎn)品。

文件下載：MAX1924.pdf

產(chǎn)品概述

MAX1894/MAX1924是專為3或4串聯(lián)鋰（Li+）電池組設(shè)計的保護(hù)器IC。它通過監(jiān)測單個電池電壓，防止過壓和欠壓情況發(fā)生，從而延長鋰電池的使用壽命。同時，還能對充電電流、放電電流和電池組短路故障等情況進(jìn)行保護(hù)。

在故障發(fā)生時，板載驅(qū)動器會控制外部P溝道MOSFET，將電池與電池組外部端子斷開。外部保護(hù)MOSFET采用共源極配置，無需外部上拉電阻。而且，該產(chǎn)品僅使用一個電流檢測電阻就能實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能，所有保護(hù)閾值和延遲都在工廠進(jìn)行了微調(diào)，無需任何外部組件。

產(chǎn)品特性

全面的電壓保護(hù)

• 過壓保護(hù)：工廠可編程的過壓保護(hù)閾值范圍為4V至4.4V，精度可達(dá)±0.5%。不同型號的過壓閾值有所不同，如MAX1894X為4.25V（典型值），MAX1924V和MAX1924X為4.35V（典型值）。MAX1924系列還具有200mV的遲滯特性。
• 欠壓保護(hù)：工廠可編程的欠壓保護(hù)閾值范圍為2V至3.2V，精度可達(dá)±2.0%，典型值為2.30V。

電流故障保護(hù)

能夠?qū)Τ潆姟⒎烹姾碗姵亟M短路電流故障進(jìn)行保護(hù)，當(dāng)檢測到故障時，會及時采取措施斷開電路。

涓流充電功能

具備涓流充電特性，可為深度放電的電池組提供低電流充電路徑，安全地對其進(jìn)行充電。

低功耗設(shè)計

• 靜態(tài)電流低至30μA（典型值），關(guān)機(jī)電流超低，僅為0.8μA（典型值），可有效防止電池深度放電。
• 輸入電壓最大可達(dá)28V，采用小型16引腳QSOP封裝，節(jié)省空間。

引腳配置與功能

工作模式

關(guān)機(jī)模式

在兩種情況下，MAX1894/MAX1924會進(jìn)入關(guān)機(jī)模式：一是SHDN引腳被驅(qū)動為高電平且無充電器連接；二是檢測到電池欠壓故障且無充電器連接。在關(guān)機(jī)模式下，VCC引腳的電流消耗僅為0.8μA（典型值），所有MOSFET均關(guān)閉。只有當(dāng)電池組連接到充電器且電池組電壓高于4.5V時，設(shè)備才會進(jìn)入正常工作模式。

正常模式

正常工作模式下，設(shè)備處于待機(jī)模式（典型電流29μA）或采樣模式（典型電流160μA）。從關(guān)機(jī)模式進(jìn)入待機(jī)模式，待機(jī)模式持續(xù)79ms后進(jìn)入采樣模式。在采樣模式下，設(shè)備會檢查每個電池的過壓和欠壓情況，采樣模式持續(xù)0.5ms后返回待機(jī)模式，且在采樣模式下不會引入電池不匹配問題。同時，設(shè)備會持續(xù)監(jiān)測RSENSE兩端的電壓，以檢測充電或放電電流故障以及電池組短路故障。

保護(hù)特性詳解

過壓保護(hù)

當(dāng)連續(xù)四次采樣檢測到過壓故障時，CGO和TKO會變?yōu)楦唠娖?，停止充電過程。若后續(xù)未檢測到過壓，CGO和TKO會恢復(fù)到正常低電平狀態(tài)。MAX1924系列還具有200mV的遲滯特性。

欠壓保護(hù)

在無充電器且連續(xù)四次采樣檢測到欠壓故障時，DSO、CGO和TKO會變?yōu)楦唠娖?，設(shè)備進(jìn)入關(guān)機(jī)模式。若連接了充電器且一個或多個電池電壓低于欠壓閾值，只有TKO會變?yōu)榈碗娖?，允許涓流充電電流流動。若所有采樣均未檢測到欠壓，DSO、CGO和TKO都會變?yōu)榈碗娖健?/p>

充電電流故障保護(hù)

通過監(jiān)測RSENSE兩端的電壓來保護(hù)電池組免受過大充電電流的影響。當(dāng)VRSENSE超過充電電流故障閾值（典型值100mV）且持續(xù)時間超過3ms時，充電電流比較器會觸發(fā)，使CGO和TKO變?yōu)楦唠娖健３潆婋娏鞴收蠣顟B(tài)會被鎖存，直到檢測到電流方向反轉(zhuǎn)才會復(fù)位。

放電電流故障保護(hù)

同樣通過監(jiān)測RSENSE兩端的電壓來防止過大放電電流。當(dāng)VRSENSE超過放電電流故障閾值（典型值145mV）且持續(xù)時間超過3ms時，放電電流比較器會觸發(fā)，使DSO、TKO和CGO變?yōu)楦唠娖健７烹婋娏鞴收蠣顟B(tài)也會被鎖存，直到檢測到電流方向反轉(zhuǎn)才會復(fù)位。

電池組短路電流故障保護(hù)

監(jiān)測RSENSE兩端的電壓，當(dāng)VRSENSE超過電池組短路閾值（典型值405mV）且持續(xù)時間超過450μs時，電池組短路比較器會觸發(fā)，使CGO、DSO和TKO變?yōu)楦唠娖?。電池組短路電流故障狀態(tài)同樣會被鎖存，直到檢測到電流方向反轉(zhuǎn)才會復(fù)位。

設(shè)計要點(diǎn)

充電路徑設(shè)計

提供快速充電和涓流充電兩條路徑。可通過選擇電阻RTKO來設(shè)置涓流充電電流的標(biāo)稱值，公式為(RTKO = (V{CHRG} - V{PACK}) / I{TKO})，其中(V{CHRG})為充電器輸出電壓，(V{PACK})為電池組電壓，(I{TKO})為涓流充電電流。若不使用涓流充電選項(xiàng)，可將CGO懸空，將TKO連接到過充保護(hù)MOSFET的柵極。

保護(hù)FET驅(qū)動器

三個外部MOSFET的源極引腳連接到SRC引腳，關(guān)閉MOSFET時，F(xiàn)ET驅(qū)動器會將柵極拉至SRC電壓，無需額外的外部上拉電阻。開啟MOSFET時，內(nèi)置的鉗位電路會將VGS限制在 -14V，允許使用最大VGS為 -20V的MOSFET。

RSENSE選擇

所有電流故障的檢測都依賴于連接在BN和PKN之間的電流檢測電阻RSENSE。其阻值決定了故障電流水平，可根據(jù)以下公式計算：

• 充電電流故障：(I{OC_TH} = V{OC_TH} / R{SENSE} = 100mV / R{SENSE})
• 放電電流故障：(I{OD_TH} = V{OD_TH} / R{SENSE} = 145mV / R{SENSE})
• 電池組短路電流故障：(I{PS_TH} = V{PS_TH} / R{SENSE} = 405mV / R{SENSE})

選擇RSENSE時，要確保其能承受正常工作和電流故障條件下的功耗。

外部MOSFET選擇

外部P溝道MOSFET作為開關(guān)，用于控制電池的充電和放電?？筛鶕?jù)預(yù)期的充電和放電電流選擇不同的P溝道MOSFET，快速充電和放電MOSFET的要求通常相似，可使用相同類型的MOSFET。涓流充電MOSFET可選用小信號類型以降低成本。所選MOSFET的VDS必須大于電池組的最大電壓，功率耗散可根據(jù)公式(P = I^{2}R_{DSON})計算。

去耦與濾波

• 為確保MAX1894/MAX1924正常工作，VCC輸入需使用二極管 - 電容器峰值檢測器，以保證在電池電壓瞬變時仍能持續(xù)工作。由于該產(chǎn)品典型電流消耗僅為30μA，D1和C6可選用小型、低成本組件。
• 為防止B4P和SRC輸入的差分電壓受噪聲干擾，需在兩個輸入上添加時間常數(shù)相似的RC濾波器。

電池輸入保護(hù)與濾波

• 建議在每個B_P引腳串聯(lián)電阻，以限制相鄰B_P引腳短路時的電流。
• 中間電池輸入偏置電流典型值為0.5nA，串聯(lián)1kΩ電阻對過壓觸發(fā)點(diǎn)的影響較小。頂部電池采樣期間的輸入偏置電流典型值為60μA，可在頂部電池串聯(lián)10Ω至50Ω的濾波電阻，并在兩個頂部電池輸入引腳之間添加1μF電容，以減少采樣電流引起的電壓變化。
• 每個B_P引腳都有內(nèi)部ESD二極管，可提供高達(dá)2kV的ESD保護(hù)。若需要更高的ESD等級，可在相鄰B_P引腳之間添加電容器（典型值0.1μF），RC濾波器可提高設(shè)備的ESD抗擾性，過濾B1P - B4P上的噪聲尖峰。

控制引腳使用

SHDN和CTL引腳允許外部邏輯或微處理器控制MAX1894/MAX1924的柵極驅(qū)動器。將CTL驅(qū)動為高電平可關(guān)閉三個保護(hù)MOSFET；將SHDN驅(qū)動為高電平（無充電器時）可使設(shè)備進(jìn)入關(guān)機(jī)模式。這兩個引腳不影響狀態(tài)機(jī)，切換它們不會改變狀態(tài)或復(fù)位任何故障條件。若不使用外部控制電路或微處理器，可將SHDN和CTL連接到PKN。

布局注意事項(xiàng)

良好的布局對于減少系統(tǒng)噪聲影響、確保準(zhǔn)確的電壓和電流測量至關(guān)重要。需注意以下幾點(diǎn)：

• 為大電流路徑選擇合適的走線寬度，縮短走線長度，以減少寄生電感和電容。
• 盡量縮短電流檢測電阻的走線長度，并采用開爾文連接方式連接到電阻。
• 為外部MOSFET和檢測電阻提供足夠的空間和電路板面積，以散發(fā)所需的熱量。
• 將RC濾波器放置在靠近B1P - B4P引腳的位置。

總結(jié)

MAX1894/MAX1924高級鋰電池組保護(hù)器憑借其全面的保護(hù)功能、低功耗設(shè)計和靈活的應(yīng)用特性，為3或4串聯(lián)鋰電池組提供了可靠的保護(hù)解決方案。在設(shè)計過程中，合理選擇和使用相關(guān)組件、優(yōu)化布局，能夠充分發(fā)揮其性能，確保電池組的安全和穩(wěn)定運(yùn)行。各位工程師在實(shí)際應(yīng)用中，不妨根據(jù)具體需求，靈活運(yùn)用這些設(shè)計要點(diǎn)，打造出更優(yōu)質(zhì)的電池保護(hù)系統(tǒng)。大家在使用這款產(chǎn)品時，有沒有遇到過什么特別的問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。