【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，或者可以將觸點設計為收縮式。但是這種機械設計會增加額外成本，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計中加入機械操作開關，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，尺寸僅為 2.15mm x 2.1mm x 1mm。小尺寸有助于工程師設計內部空間受限的設備，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，以及通用型高側柵極驅動，從而提供高側隔離開關解決方案。
DZDH0401DW 適用于工作電壓最高達 40V 的系統(tǒng)，通過驅動 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，內部晶體管會由漏極二極管關斷，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。當內部晶體管導通時，Q1 柵極電容通過其放電，MOSFET 關閉，進而在輸入和輸出之間實現(xiàn)高度隔離。Rref 的值決定 MOSFET 的關閉速度。較低的阻值會提升晶體管的基極驅動，因此晶體管能更快地使柵極短路，從而關閉 MOSFET。
圖 2：自動割草機和掃地機器人的設計中對電池放電保護的新需求。
結論
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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