BMS上MOS管及其外围电路设计

laoxiang21

两轮车或则小动力设备，BMS功能框图如下：



来源：网络

其中最让人头疼的为MOS驱动这块：

  TI手册给出下面指导设计，CHG驱动由于TI是采用电流源控制。从目前开发下来无论电流源但还是电压源，该方案都是没什么大缺陷。



  详解下应用问题,

1）在PACK-电压远低于B-时候，Q3的耐压就极为关键，当电压CHG-pack-＞Q3VDS时，Q3将会产生漏电流，是的Q1闭合，若外端口是容性负载，则此时为闭合中短路状态，Q1将烧毁。所以Q3耐压必须要要高于外端口Pack-下沉电压，MOS的稳压管保护该情况下ds的耐压。如下图为充电关断时候的电压变化



2）当短路或者大电流放电时候，MOS关断，由于线上感量导致PACK-电压远远大于BAT-，此时Q1Q2被击穿，所以该电路需要增加TVS进行MOS的ds防护，吸收瞬态浪涌电压。当然MOS本身也有一定浪涌能力。



  当然浪涌能量V=L*dI/dt，可以看出 MOS关的越快，电流越大，浪涌越大。

  此时我们想找到一个平衡点 让MOS 关的慢点，会出现什么情况了。在米勒平台时候，MOS会超过工作安全区也就是SOA区间。所以我们想让MOS关的越快越好。

  当然MOS关的快乐，浪涌大了，那么TVS的个数就会增多。

  所以TI推荐的图有两个问题需要解决，那就是一如何让MOS快速关断，二如何抑制关断浪涌



下面找了一个博主对MOS驱动的介绍文章。非常棒。

一、MOS管及其外围电路设计

全文框架



1.栅极驱动部分

常用的mos管驱动电路结构如图1所示，驱动信号经过图腾柱放大后，经过一个驱动电阻Rg给mos管驱动。其中Lk是驱动回路的感抗，一般包含mos管引脚的感抗，PCB走线的感抗等。在现在很多的应用中，用于放大驱动信号的图腾柱本身也是封装在专门的驱动芯片中。本文要回答的问题就是对于一个确定的功率管，如何合理地设计其对应的驱动电路(如驱动电阻阻值的计算，驱动芯片的选型等等)。



注1：图中的Rpd为mos管栅源极的下拉电阻，其作用是为了给mos管栅极积累的电荷提供泄放回路，一般取值在10k~几十k这一数量级。由于该电阻阻值较大，对于mos管的开关瞬态工作情况基本没有影响，因此在后文分析mos的开关瞬态时，均忽略Rpd的影响。

注2：Cgd，Cgs，Cds为mos管的三个寄生电容，在考虑mos管开关瞬态时，这三个电容的影响至关重要。

1.1 驱动电阻的下限值

驱动电阻下限值的计算原则为：驱动电阻必须在驱动回路中提供足够的阻尼，来阻尼mos开通瞬间驱动电流的震荡。

当mos开通瞬间，Vcc通过驱动电阻给Cgs充电，如图2所示(忽略Rpd的影响)。根据图2，可以写出回路在s域内对应的方程:



根据式(1)可以求解出ig，并将其化为典型二阶系统的形式



根据式(2)，可以求解出该二阶系统的阻尼比为：



为了保证驱动电流ig不发生震荡，该系统的阻尼比必须大于1，则根据(3)可以求解得到：



式(4)给出了驱动电阻Rg的下限值，式(4)中Cgs为mos管gs的寄生电容，其值可以在mos管对应的datasheet中查到。而Lk是驱动回路的感抗，一般包含mos管引脚的感抗，PCB走线的感抗，驱动芯片引脚的感抗等，其精确的数值往往难以确定，但数量级一般在几十nH左右。因此在实际设计时，一般先根据式(4)计算出Rg下限值的一个大概范围，然后再通过实际实验，以驱动电流不发生震荡作为临界条件，得出Rg下限值。



图2 mos开通时的驱动电流

1.2 驱动电阻的上限值

驱动电阻上限值的计算原则为：防止mos管关断时产生很大的dV/dt使得mos管再次误开通。

当mos管关断时，其DS之间的电压从0上升到Vds(off)，因此有很大的dV/dt，根据公式：i=CdV/dt，该dV/dt会在Cgd上产生较大的电流igd，如图3所示。



图3 mos关断时的对应电流

该电流igd会流过驱动电阻Rg，在mos管GS之间又引入一个电压，当该电压高于mos管的门槛电压Vth时，mos管会误开通，为了防止mos管误开通，应当满足：



式(6)给出了驱动电阻Rg的上限值，式(6)中Cgd为mos管gd的寄生电容，Vth为mos管的门槛电压，均可以在对应的datasheet中查到，dV/dt则可以根据电路实际工作时mos的DS电压和mos管关断时DS电压上升时间(该时间一般在datasheet中也能查到)求得。

从上面的分析可以看到，在mos管关断时，为了防止误开通，应当尽量减小关断时驱动回路的阻抗。基于这一思想，下面再给出两种很常用的改进型电路，可以有效地避免关断时mos的误开通问题。



图4 改进电路1

图4给出的改进电路1是在驱动电阻上反并联了一个二极管，当mos关断时，关断电流就会流经二极管Doff，这样mos管gs的电压就为二极管的导通压降，一般为0.7V，远小于mos的门槛电压(一般为2.5V以上)，有效地避免了mos的误开通。



图5 改进电路2

图5给出的改进电路2是在驱动电路上加入了一个开通二极管Don和关断三级管Qoff。当mos关断时，Qoff打开，关断电流就会流经该三极管Qoff，这样mos管gs的电压就被钳位至地电平附近，从而有效地避免了mos的误开通。

1.3 驱动电阻阻值的选择

根据1.1节和1.2节的分析，就可以求得mos管驱动电阻的上限值和下限值，一般来说，mos管驱动电阻的取值范围在5~100欧姆之间，那么在这个范围内如何进一步优化阻值的选取呢？这就要从损耗方面来考虑，当驱动电阻阻值越大时，mos管开通关断时间越长(如图6所示)，在开关时刻电压电流交叠时间久越大，造成的开关损耗就越大(如图7所示)。所以在保证驱动电阻能提供足够的阻尼，防止驱动电流震荡的前提下，驱动电阻应该越小越好。



图6 mos开关时间随驱动电阻的变化



比如通过式(4)和式(6)的计算得到驱动电阻的下限为5欧姆，上限为100欧姆。那么考虑一定的裕量，取驱动电阻为10欧姆时合适的，而将驱动电阻取得太大(比如50欧姆以上)，从损耗的角度来讲，肯定是不合适的。

1.4 驱动芯片的选型

对于驱动芯片来说，选型主要考虑如下技术参数：驱动电流，功耗，传输延迟时间等，对隔离型驱动还要考虑原副边隔离电压，瞬态共模抑制等等(common mode transient immunity)，下面就分别加以介绍。

最大电流

在mos管开通的时候，根据图2，可以得到mos开通瞬间的驱动电流ig为(忽略Lk的影响)



其中ΔVgs为驱动电压的摆幅，那么在选择驱动芯片的时候，最重要的一点就是驱动芯片能提供的最大电流要超过式(7)所得出的电流，即驱动芯片要有足够的“驱动能力”。

功耗

驱动功率计算表达式如下：



其中Qg为栅极充电电荷，可以在datasheet中查到，ΔVgs为驱动电压的摆幅，fs为mos的开关频率，在实际选择驱动芯片时，应选择驱动芯片所能提供的功率大于式(8)所计算出来的功率。同时还要考虑环境温度的影响，因为大多数驱动芯片所能提供的功率都是随着环温的升高而降额的，如图8所示。



图8 驱动允许的损耗功率随着环温升高而降低



传输延迟(Propagation Delay)

所谓传输延迟，即驱动芯片的输出上升沿和下降沿都要比起输入信号延迟一段时间，其对应的波形如图9所示。对于传输延迟来说，我们一般希望有两点：1)传输延时的实际要尽量短。2)“开通”传输延时和“关断”传输延时的一致性要尽量好。



图9 驱动芯片输入输出传输延时

下面就针对第二点来说一说，如果开通和关断传输延时不一致会有什么影响呢？我们以常用的IGBT驱动，光耦M57962为例，给出其传输延时的数据，如图10所示。



图10 M57962的传输延时数据

从图10可以看到，M57962的的开通传输延时一般为1us，最大为1.5us；关断传输延时一般为1us，最大为1.5us。其开通关断延时的一致性很差，这样就会对死区时间造成很大的影响。假设输入M57962的驱动死区设置为1.5us。那么实际到IGBT的GE级的驱动死区时间最大为2us(下管开通延时1.5us, 上管关断延时1us)，最小仅为1us(下管开通延时1us, 上管关断延时1.5us)。造成实际到达IGBT的GE级的死区时间的不一致。因此在设计死区时间时，应当充分考虑到驱动芯片本身的传输延时的不一致性，避免因此造成的死区

时间过小而导致的桥臂直通。

原副边绝缘电压

对于隔离型驱动来说(光耦隔离，磁耦隔离)。需要考虑原副边的绝缘电压，一般项目中都会给出绝缘电压的

相关要求。若没有相关要求，一般可取绝缘电压为mos电压定额的两倍以上。

2.外围保护电路



R7作用：防静电影响MOS，管子的DG,GS之间分别有结电容, DS之间电压会给电容充电,这样G极积累的静电电压就会抬高直到mos管导通，电压高时可能会损坏管子. 同时为结电容提供泄放通道，可以加快MOS开关速度。阻值一般为几千左右。

R6和D3作用：在MOS关断时，这个回路快速放掉栅极结电容的电荷，栅极电位快速下降，因此可以加快MOS开关速度。另外，高频时， MOSFET的输入阻抗将降低，而且在某个频率范围内将变成负阻，会发生振荡，这个电阻可以减少震荡。R6阻值一般较小，几欧到几十欧左右。

C11，R8和d5作用：MOS有分布电感，关断时会有反峰电压。Rc部分用于吸收尖波，这个设计给这个反峰提供了释放回路。D5是为了防止高电压击穿mos。经实验，去掉该回路后波形有很大的震荡。

xiaocheng

针对您提到的两轮车或小动力设备的BMS中MOS管及其外围电路设计问题，特别是MOS驱动部分，以下是我的专业回复：

关于MOS驱动设计，特别是在低电压条件下的应用问题，需重点关注MOS管的耐压能力。当PACK电压远低于B电压时，Q3的耐压性能尤为关键。若Q3耐压不足，可能产生漏电流，导致Q1误闭合，若外端口为容性负载，将可能形成短路，烧毁Q1。因此，MOS管的选用需确保其耐压值高于外端口Pack的可能下沉电压。同时，外围电路设计时也需考虑此因素，加入适当的保护措施，如过压保护电路，以增强系统的稳定性和安全性。关于TI手册给出的设计指导，电流源和电压源控制方案需根据实际应用场景和需求进行选择和优化。

以上是对您问题的初步分析和建议，具体设计和解决方案还需结合实际情况进一步分析和实施。

shuizhonghua

作为一名汽车工程师，针对您关于BMS上MOS管及其外围电路设计的问题，以下是专业回复：

关于MOS驱动部分，特别是在两轮车或小动力设备中，MOS管的驱动设计是核心环节。当PACK电压远低于B电压时，Q3的耐压能力至关重要。若Q3耐压不足，可能导致漏电流产生，造成Q1误动作，若外端口为容性负载，可能会形成短路，烧毁Q1。因此，选择MOS管时，其耐压值需高于外端口Pack的预期最大下沉电压，以确保系统的稳定性和安全性。同时，外围电路设计需充分考虑电流源与电压源控制方案的优缺点，确保在各种工作条件下都能有效驱动MOS管。

以上是对您问题的简要解答，更多细节需结合实际电路设计和系统要求进行深入分析和设计。

cengjili

针对您提到的两轮车或小动力设备的BMS中MOS管及其外围电路设计问题，特别是MOS驱动部分，以下是我的专业回复：

关于MOS驱动设计，特别是在低电压条件下的应用问题，需重点关注MOS管的耐压能力。当PACK电压远低于B电压时，Q3的耐压性能尤为关键。若Q3耐压不足，可能产生漏电流，导致Q1误闭合，若外端口为容性负载，可能形成短路，烧毁Q1。因此，选择MOS管时，其耐压值需高于外端口Pack的下沉电压。同时，设计MOS外围电路时，需考虑加入适当的保护电路，如过压保护、欠压保护等，以提高系统稳定性和安全性。至于TI手册提供的电流源控制方案，根据实际应用情况优化调整，确保系统性能与安全。

以上是对您问题的初步分析，如需更深入的探讨和解决方案，建议与团队深入讨论并参考更多专业资料。

huangguang

作为汽车工程师，针对上述帖子中的BMS上MOS管及其外围电路设计问题，回复如下：

关于MOS驱动设计，特别是在两轮车或小动力设备中，其驱动设计尤为重要。当PACK电压远低于B电压时，Q3的耐压能力至关重要。若Q3耐压不足，可能导致漏电流产生，进而使Q1误闭合，造成外端口容性负载短路，烧毁Q1。因此，MOS管的选取需确保其耐压值高于外端口Pack的下沉电压。此外，设计过程中需考虑电流源与电压源控制方案的优缺点，根据实际需求选择合适的控制策略。关于MOS及其外围电路的具体应用问题，建议深入分析TI手册指导设计内容，确保设计的准确性和可靠性。

对于具体设计和问题解决方式需要具体分析和讨论，如需进一步帮助请提供更多详细信息。

hk4835

针对您提到的两轮车或小动力设备的BMS中MOS管及其外围电路设计问题，关于MOS驱动部分的应用问题，具体分析如下：

在PACK电压远低于B电压时，Q3的耐压能力确实非常关键。当电压从CHG-pack传递到Q3时，若Q3的耐压不足，会产生漏电流，可能导致Q1误闭合。若外端口是容性负载，这会造成短路状态，进而烧毁Q1。因此，选择MOS管时，其耐压值必须高于外端口Pack的下沉电压。

此外，设计MOS管外围电路时，还需考虑其他因素，如驱动电路的响应速度、MOS管的导通电阻、外围元件的布局等。这些因素都会影响整体性能。建议在设计过程中参考TI手册的指导，结合实际项目需求进行电路设计优化。

以上分析仅供参考，如需更多专业建议，建议咨询资深汽车工程师或查阅相关文献资料。

针对您提到的两轮车或小动力设备的BMS系统中MOS管及其外围电路设计的问题，关于MOS驱动的应用问题，具体分析如下：

在PACK电压远低于B电压时，Q3的耐压确实非常关键。当电压从CHG-pack传递到Q3VDS时，若Q3耐压不足，可能导致漏电流产生，进而可能使Q1误闭合。若外端口是容性负载，可能会形成短路状态，导致Q1烧毁。因此，为确保系统安全稳定运行，MOS的耐压值必须高于外端口Pack的下沉电压。

此外，在外围电路设计中，还需考虑其他关键因素，如MOS管的选型、驱动电路设计、保护电路设计等。具体设计过程中，应参考相关标准、规范及实际项目经验，确保设计的合理性和可靠性。在实际应用中，还应注意系统的工作温度范围、电磁兼容性等因素对电路性能的影响。

t007

针对您所提到的MOS管及其外围电路在两轮车或小动力设备中的设计问题，特别是MOS驱动部分，以下是一些专业回复：

关于MOS驱动设计，特别是在低电压条件下，如PACK电压远低于B电压时，Q3的耐压能力非常关键。当电压从CHG-pack传递到Q3时，若Q3的耐压不足，可能导致漏电流产生，进而可能使Q1误闭合。若外部端口为容性负载，这可能导致短路状态，从而烧毁Q1。因此，选择MOS管时，其耐压值必须高于外部端口的下沉电压。此外，为确保稳定工作，还可加入适当的电压检测与保护电路，以预防此类情况发生。关于TI手册给出的电流源与电压源控制方案，根据实际应用场景选择合适的驱动方式是关键。若在实际应用中遇到任何问题或需要进一步探讨的地方，建议与团队深入分析和讨论，或寻求专家意见。

以上是对您问题的初步分析，如您需要更详细的解答或深入讨论，请提供更多具体信息。