BMS设计中的短路保护和MOSFET选型（上）

电池管理系统（BMS）是一种能够对电池进行监控和管理的电子装备，是电池与用户之间的纽带。通过对电压、电流、温度以及SOC等数据采集，计算进而控制电池的充放电过程，主要就是为了能够提高电池的利用率，防止电池出现过度充电和过度放电。

众所周知，MOSFET对锂电池板的保护作用非常大，它可以检测过充电，检测过放电，检测充电时过电电流，检测放电时过电电流，检测短路时过电电流。对于这么核心的电池管理系统中的电路设计中，为了使可充电电池更具备长使用寿命，正确的充电电路设计与电子元器件器件选择至关重要。其中MOSFET至关重要。

本文针对BMS中的MOSFET从以上方面来阐述和说明。

备注：由于创作不易，本文给需要的朋友阅读。

一、MOSFET介绍

1、MOSFET基本知识介绍

2、MOSFET特性介绍

3、主流MOSFET封装工艺介绍

4、主流MOSFET应用

二、MOSFET参数

1、电气参数

2、静态参数

3、动态参数

4、时序参数

5、寄生参数

6、温度参数

7、SOA曲线

8、功率参数

三、MOSFET选型

1、额定参数选择

2、极限参数选择

3、开关损耗

4、驱动电阻

5、总结

6、BMS中的MOS选型

四、MOSFET短路过程中计算

1、mos工作过程

2、短路保护过程分析

五、BMS短路设计和验证

 正文介绍

一、MOSFET介绍

1、MOSFET基本知识介绍

(1)内部结构

(2)MOSFET分类

其实归纳一下，就4种类型的MOS管：增强型 PMOS，增强型 NMOS，耗尽型 PMOS，耗尽型 NMOS。

在实际应用中，以增强型NMOS 和增强型PMOS 为主。所以通常提到NMOS和PMOS指的就是这两种

(3)MOS管符号

导通条件：N沟道->Ug>Us时导通。P沟道->Ug<Us时导通

(4)MOS管尺寸发展

晶圆尺寸发展

(5)MOS管型号确认

2、主流MOSFET封装工艺介绍

（1）封装内部的互连技术TO、D-PAK、SOT、SOP等采用焊线式的内部互连封装技术

• SOT封装

SOT(Small Out-Line Transistor)是贴片型小功率晶体管封装，主要有SOT23、SOT25(即SOT23-5)等，又衍生出SOT323、SOT363/SOT26(即SOT23-6)等类型，体积比TO封装小，一般信号控制方案最常用的封装，适于几A电流、60V及以下电压环境中采用

SOT89具有3条短引脚，分布在晶体管的一侧，另外一侧为金属散热片，与基极相连，以增加散热能力，常见于硅功率表面组装晶体管，适用于较高功率的场合

SOT143具有4条翼形短引脚，从两侧引出，引脚中宽度偏大的一端为集电极，这类封装常见于高频晶体管

• TO封装

这两种封装样式的MOS管外观差不多，可以互换使用，不过TO-220背部有散热片，其散热效果比TO-220F要好些，价格相对也要贵些。这两个封装产品适于中压大电流120A以下、高压大电流20A以下的场合应用。

是目前主流封装之一，电流可以到70A，电压100V以内（电压与电流成反比，电流越大，电压越小）。

• SOP封装

• D-PAK封装

（2）增加漏极散热板标准的SO-8封装采用塑料将芯片包围，低热阻的热传导通路只是芯片到PCB的引脚。而底部紧贴PCB的塑料外壳是热的不良导体，故而影响了漏极的散热。技术改进就是要除去引线框下方的塑封化合物，方法是让引线框金属结构直接或加一层金属板与PCB接触，并焊接到PCB焊盘上，这样就提供了更多的散热接触面积，把热量从芯片上带走;同时也可以制成更薄的器件。

• Power 构架封装

• LFPAK封装

随着高压产品组合的不断扩充，半导体行业还有一种新的封装方式就是LFPAK，为了优化电气和热性能，铜夹片技术是理想选择，尤其为已采用 LFPAK 和 CFP 封装方案的双极性晶体管。高压功率晶体管带来铜夹片技术的优点。恩智浦(原Philps)对SO-8封装技术改进为LFPAK和QLPAK。其中LFPAK被认为是世界上高度可靠的功率SO-8封装;而QLPAK具有体积小、散热效率更高的特点，与普通SO-8相比，QLPAK占用PCB板的面积为6*5mm，同时热阻为1.5k/W

• DFN封装

• CSP封装

• TO封装

TOLT  产品系列中的首款顶部冷却封装产品。在结构上，其导线框架已翻转，将暴露金属放 在顶部，该封装在每一侧都包含多个鸥翼型导线，用于承载漏极和源极连接的高电流。此外，裸露焊盘是无锡的。

（3）改变散热的热传导方向Power-PAK的封装虽然显著减小了芯片到PCB的热阻，但当电流需求继续增大时，PCB同时会出现热饱和现象。所以散热技术的进一步改进就是改变散热方向，让芯片的热量传导到散热器而不是PCB。

• Polar PAK

Polar PAK是双面散热的小形封装，也是威世核心封装技术之一。Polar PAK与普通的so-8封装相同，其在封装的上、下两面均设计了散热点，封装内部不易蓄热，能够将工作电流的电流密度提高至SO-8的2倍。

• LFPAK-I

LFPAK-I（无损耗封装－倒装型）上表面散热型封装，作为新的功率MOSFET封装形式，它通过使用顶面安装热沉大大提高了散热特性，通过使用上表面散热结构提高了电流能力。

• Direct FET

Direct FET封装属于反装型，漏极(D)的散热板朝上，并覆盖金属外壳，通过金属外壳散热。Direct FET封装极大地改善了散热，并且占用空间更小，散热良好

（4）工艺技术路线

3、MOSFET特性介绍

（1）V-I特性曲线

• 夹断区

VGS < VGS(th)时，MOS管处于夹断区(截止区)：

夹断区在输出特性最下面靠近横坐标的部分，表示MOS管不能导电，处在截止状态。电流ID为0，管子不工作。

• 恒流区

VGS≥VGS(th)，且VDS>VGS-VGS(th)，MOS管进入恒流区：

恒流区在输出特性曲线中间的位置，电流ID基本不随VDS变化，ID的大小主要决定于电压VGS，所以叫做恒流区，也叫饱和区，当MOS用来做放大电路时就是工作在恒流区（饱和区）。注：MOS管输出特性的恒流区（饱和区），相当于三极管的放大区。

• 可变电阻区

VGS>VGS(th) ，且VDS < VGS - VGS(th),MOS管进入可变电阻区：

可变电阻区在输出特性的最左边，Id随着Vds的增加而上升，两者基本上是线性关系，所以可以看作是一个线性电阻，当VGS不同电阻的阻值就会不同，所以在该区MOS管相当就是一个由VGS控制的可变电阻。

• 击穿区:

随着VDS增大，PN结承受太大的反向电压而被击穿。

（2）转移特性曲线

固定VDS值，MOS晶体管的源漏电流IDS随栅源电压VGS的变化曲线

从上图曲线可得到：

 >测试条件：VDS=20V；

 >VGS的开启电压VGS(th)，约5V，且随着温度的升高而降低；

 >VGS需要达到10V以上，才能完全导通，达到其最大标称ID；

 >VGS越大，ID才能越大，温度越高，ID越小；

（3）寄生二极管特性--见后文

漏极源极之间有个寄生二极管，在马达继电器的应用中，主要是用来保护电路的，不过寄生二极管只存在单个MOS管中，集成芯片中是没有的。

（4）开关特性

>导通延迟时间：从VGS上升10%到VDS上升10%的时间

 >上升时间：从VDS上升10%到90%的时间

 >关断延迟时间：从VGS下降90%到VDS下降90%的时间 

>下降时间：从VDS下降90%到10%的时间

（5）米勒特性-见后文描述

（6）SOA曲线-见后文描述

（7）MOS特性

>输入阻抗非常高，因为MOS管栅极有绝缘膜氧化物，甚至可达上亿欧姆，所以他的输入几乎不取电流，可以用作电子开关。

>导通电阻低，可以做到几个毫欧的电阻，极低的传导损耗，。

>开关速度快，开关损耗低，特别适应PWM输出模式。

>在电路设计上的灵活性大，栅偏压可正可负可零，三极管只能在正向偏置下工作，电子管只能在负偏压下工作；

>低功耗、性能稳定、抗辐射能力强，制造成本低廉与使用面积较小、高整合度。

>极强的大电流处理能力，可以方便地用作恒流源。所以现在芯片内部集成的几乎都是MOS管。

>MOS管栅极很容易被静电击穿，栅极输入阻抗大，感应电荷很难释放，高压很容易击穿绝缘层，造成损坏。

4、MOS管应用

（1）应用场景

>MOS的开关速度比较高，因此适用于高频的电路

>由于MOS管放大器的输入阻抗很高，可应用于放大。因此耦合电容可以容量较小，不必使用电解电容器。

>MOS管具有开关特性，可以用作电子开关

>MOS管的Rds比较小，可用在大电流回路

（2）失效分析