第七篇 BMS系统保护电路设计及MOS管选型

一、BMS 系统保护过程的两个阶段

BMS 系统中最主要的功能，当为保护莫属，无论是过压欠压保护，还是高温低温保护，亦或是过流及短路保护。

这其中最考验电路设计的地方当属过流保护和短路保护，原因在于BMS 系统中温度和电压的突变几乎是不可能的，而对于电流，是时常出现突变的。

在过流保护（短路保护可以认为是非常大的电流保护）过程中，电流会经历从大瞬间变小，乃至为零的过程，这里就产生了极大的di/dt，因此对电路的设计和芯片的选型就形成了严峻的考验。

首先过大的电流如果不能够被及时掐断，就很有可能导致 BMS 保护板以及上面的半导体器件损坏，甚至使得电芯本身损坏，最终造成起火爆燃等危险事故。

其次，如果我们的保护逻辑可以及时的掐断电流，这是就必须要考虑我们的电路板图及 MOS 管是否能够在大的电流突变过程中保持稳定可靠。

短路保护是电流过流保护的一个极端情况，因此本文接下来都已短路保护进行分析。

短路保护电路的功能就是的当 BMS 程序检测到电流超过设定的阈值，且持续超过了设定的延迟时间，就会控制 IO 输出，进而通过驱动电路关闭MOSFET 掐断电路，整个短路保护逻辑电路如下图：

当负载 load 发生短路时，整个环路中的电流的大小和串联电芯组的电压以及整个环路中的阻抗有关。

整个环路中的阻抗包括电芯内阻，电流检测电阻，MOSFET 的 Rdson，PCB 走线寄生电阻以及外部 load 的阻抗。

一般情况下，整个环路的内阻还是比较小的，大致在100mR 左右，所以短路电流会非常大，几百安培甚至几千安培。因此需要我们在极短的时间内关闭放电 MOS 管，从而把短路电流切断。

下面一张示波器的截图说明了整个短路保护的动作过程，其中我们观测了三个信号：

采样电阻电压 → 用来检测环路中电流值；
MOS 管的Vgs → 检测 MOS 管的开启动作；
电芯负极和 Pack 负极的电压 → 判断 MOS 管 Vds 的最大耐压。

我们将保护动作过程分成两个阶段。

第一个阶段是从检测到短路发生到 MOS 管刚开始动作的阶段，也就是图中标注的 short point 到 off point 之间，这个时间就是短路保护的延迟时间（还有一小部分是 MOS 管开启的时间，要注意，这里跟我们的硬件设计有关系），这个时间是在我们的保护程序中进行配置的，一般对于短路保护，我们配置为 100us 左右。

如果是过流保护，我们可以把这个时间配置的长一些，一般可以设置为几秒。

第二个阶段是 MOS 管真正导通开始到环路电流减小到 0 的过程，这段时间会出现电流突然降低，从而引起一些减分电压，如图中绿色部分，可以看到 MOS 管的两端电压出现了一个尖峰（在第三部分讨论尖峰产生的原因）。

二、BMS 短路保护过程中的负压问题

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由于 BQ769x0 系列采用了多个 die 级联的设计形式，因此在短路过程中，采样通道的 RC 滤波器中的电容将会向电芯中放电，同样的每个 die 输入到参考地 VSS 之间的退耦电容也将进行放电，如下图所示的电流方向。

从图中可以看到，通道 RC 滤波中的电容放电问题不大，但是单 die 的退耦电容在放电回路上存在多个路径，其中一个会流向 die内部，也就是芯片内部，这会导致芯片内部存在一个低于参考地 VSS 的电压，也就是内部会产生负压，这对于芯片来说是非常危险的。

为了避免这样的问题发生，损坏 AFE 芯片，我们需要在采样通道的芯片输入引脚处并联肖特基二极管，将放电电流控制在芯片外部，避免电流流向芯片内部产生负电压，影响芯片工作逻辑。

三、MOS 的失效模式

在 BMS 系统的短路保护过程中，最容易损坏的当属放电 MOS 管，其中 MOS 管的失效模式分为两种情况：过压击穿损坏和过功率烧坏。

3.1 过压击穿损坏

在发生短路保护的时候，会产生非常大的短路电流，而在放电 MOS 开始动作到完全关断的时间非常短，这是超大的 di/dt 会在 MOS 管的源极和漏极之间产生瞬态的电压尖峰。

如果这个电压尖峰超过了 MOS 管的 Vds 最大耐压值，MOS 管就会出现击穿损坏。

这个尖峰是怎么发生的呢？

先来看一个图，我们将整个环路中的寄生电感标注了出来。

从图中我们可以分析到主要的三个寄生电感：

电芯内部电感，原因是电芯类似于电解电容的卷绕形式，因此存在寄生的电感。
PCB 大功率走线部分存在寄生电感。
外部链接负载的导线也存在寄生电感。

当放电 MOS 管开始动作到完全关断，短路电流也会从最大值减小到0，电感中的电流不能突变，因此这个变化的电流会在电感两端产生相应的电动势来维持电流。

每个寄生电感部分都将感应出电动势，感应电压大小计算公式为：

V = L * （di / dt）

所有的寄生电感产生的感应电动势叠加起来，最终将在放电 MOS 管的漏极上产生一个比电池电压还要高的瞬态峰值电压尖峰。

从电感的感应电动势的计算公式来看，要解决这个瞬态电压尖峰，我们唯一可以优化的就是 dt，因为对于寄生电感 L 和短路电流 di 这两项是电路和系统需求决定的，无法改变。

我们可以通过减缓放电 MOS 的关断速度，增大 dt 来降低感应电动势 V，也就是降低瞬态的电压尖峰。

下图是一个验证结果，通过调整驱动电路到 MOS 管的栅极的限流电阻来减慢 MOS 管的关断速度。

可以看到，当把栅极限流电阻 Rdsg 从 1K 增加到 4.7K 的时候，dt 从 16.8us 增加到了 45.6us，瞬态的尖峰电压从原来的 110V 降低到了 65V。

从上面的测试数据，我们也可以大致分析出整个环路的寄生电感值，测试电路中 Pack 的开路电压为 40V，可以大致计算：

Rdsg = 1KR 时， L = （110 – 40）*16.8us / 535A ≈ 2.2uH

Rdsg = 4.7KR 时，L = （65 – 40）* 45.6us / 518A ≈ 2.2uH

3.2 过功率烧坏 MOSFET

假如我们为了降低 MOS 管的 Vds 端的尖峰电压，增加了栅极限流电阻，延长了 MOS 管的关断时间，那么也就意味着 MOS 管的开关损坏变大了，因此这个减缓关断时间并不是越长越好，太长则引起 MOS 管过功率烧坏。

这里的过功率是指的在放电 MOS 管关闭过程中的发热功率，也就是在电流下降同时，Vds 上升所产生的交叉损耗，这个损耗一定要符合 MOSFET 规格书中的 Eas 指标，这也就是我们讲 BMS 的 MOS 管选型时关注的最大瞬间能量耐受值。

根据上图所示，我们可以简化的计算，近似的认为电流的下降和电压的上升是同步的，而且都是线性的。这样在整个 Tsw 期间，损耗能量的计算过程如下：

最后积分可得：

根据我们之前的测试结果：

当限流电阻 Rdsg 为 1K 时，E = 1/6 ** 110V * 535A* * 16.8us = 165mJ。

当限流电阻 Rdsg = 4.7K 时，E = 1/6 ** 65V * 518A* * 45.6us = 256mJ。

由此可见，通过降低 MOS 管的关断速度会增加 MOS 管关断时的功率损耗，如果这个能量损坏超过 Eas，就会导致 MSO 管的烧毁。

Eas 的指标一般都是计算出来的，并不是每个 MOS 管出厂都会检测，因此应该留有足够的余量，同时我们还需要根据下图来判断保护瞬间是否在正常的工作范围内。

上图中可以看出，在 Vds 电压为 40V 的时候，Id 电流可以 100A 工作 10us 是安全的。

四、MOS 管的选型

在进行 BMS 系统设计时，对于放电 MOS 管的选项，首先要考虑 MOS 管的耐压指标，也就是 Vds。根据一般的经验测算，MOS 管的 Vds 耐压值应该为Pack 满电稳态电压的 2 倍，也就是留足 100%的设计余量。

对于 MOS 管的电流，则需要考虑两个方面：

一个是短路保护电流值，要保证短路时的电流不超过规格书中雪崩电流值，如果短路电流非常大，需要考虑多个 MOS 管的并联，并联需要考虑 Vth 一致性和均流，我们在其他文章中再讨论。

另一个是过流保护电流值，也就是考虑过流保护过程中的功耗问题，考虑的因素同上，计算时当以最大电流参数为准来选择 MOS 管。

再者，对于 MOS 管的选型还需要考虑 MOS 管的 Cgs 和 Cgd 等寄生电容的影响，这关系到电路的驱动能力，也关系到 MOS管的开关快慢问题，尤其在多并联的情况下，Cgs 和 Cgd 会累加，这将大大影响到 MOS管的开关速度。

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五、总结以下

由于电芯和 PCB 以及线束上面的各种阻抗无法在设计之初获得，也就是短路电流的实际大小值，过充电压的峰值没办法在设计之初计算得到，因此我们只能在做出电池包样品后进行文中的试验测得相关波形和参数，然后在过压击穿和过功率烧坏之间做一个权衡，最终确定 MOS 管的关断速度以确定驱动电路的设计。