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一粒金砂(高级)

氮化镓杀手级应用:锂电保护! [复制链接]

一颗氮化镓可以代替两颗硅MOS,体积更小、更节省空间,且阻抗比单颗硅MOS更低,可降低在此路径上的热量消耗,降低充电温升,提升充电的恒流持续时间。

 

不仅如此,氮化镓有更高的单位体积耐压性能,同样的体积,耐压标称值比硅更高,具备更好的防护能力。

 

锂电保护现状

 

锂电池需要保护板来确保电池不会出现过充、过放、过流等异常情况而造成危险。

 

保护板通常是使用锂电池保护芯片配合两颗对向串联的硅MOS来进行断开电池与回路的连接,因为传统硅MOS由于结构问题,存在体二极管,只能单向开关。实际应用中,需要两颗对向串联,来实现电路的完全截止。

 

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在手机中,电池的极耳,是通过保护板连接到排线上的。保护板上有电池计量芯片,取样电阻,电池保护芯片、电池保护管,保险丝和温度检测元件等。输出通过排线连接到手机,并与手机通信,协同手机实时了解电池状态,确保安全稳定的工作。

 

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现有的保护板都是采用两颗硅MOS管对向串联来实现电池关断的,因为硅MOS管内部存在体二极管,只能控制充电方向或者放电方向的关闭,无法彻底关断电路,所以需要使用两颗对向串联来使用。

 

氮化镓锂电保护板应用

 

可以说是有锂电池的地方就离不开保护板,如生活中常见的手机、平板电脑、笔记本电脑、移动电源、户外电源等,覆盖我们生活中的各类电子产品。这些设备每年出货量超过20亿台,体量相当庞大;锂电保护板跟内衣一样,看不见,但是很重要。

 

智能手机

 

使用氮化镓开关管后,只需一颗氮化镓开关管就能取代两颗传统硅MOS了。氮化镓开关管内部没有体二极管,只需一颗即可实现双向开关,完全阻断电池的充电和放电电流。氮化镓具有低导阻高效率优势,使用一颗氮化镓开关管取代两颗串联的硅MOS,导阻是硅MOS管的几分之一,可大幅降低发热,减小充电电流流过保护板带来的压降,降低功率损耗,降低温升。

 

随着现在手机充电功率的大幅提升,电池端的充电电流都在10A以上,有些厂商已经在电池上采用多极耳,多条连接线来降低大电流的发热。氮化镓的低阻抗优势,可以有效的降低快充发热。应用在手机电池保护板上,可以支持更高的快充功率,延长快充持续时间,获得更好的快充体验。

 

同时氮化镓属于宽禁带半导体,相比常规的硅材料,开关速度更快,具有更高的耐压。在降低电阻的同时,还能提供更高的过电压保护能力,防止过压造成的损坏。

 

OPPO使用一颗氮化镓开关管取代两颗串联的硅MOS,氮化镓低阻抗优势可以大幅降低电流在保护板上的损耗,随着手机充电功率达到200W,电池端的电流达到20A。传统硅MOS温升明显,甚至需要辅助导热措施来为其散热。使用氮化镓代替硅MOS之后,可以无需导热材料,降低快充过程中的发热,简化设计并降低成本。

 

移动电源

 

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支持百瓦输出的移动电源,其电池端电流的峰值都在8A以上,为了增加过流能力,保护板采用两颗并联的MOS管组成两并两串的结构。这种四颗MOS管的电池保护电路,也可以使用一颗氮化镓开关管来取代,一颗顶四颗,并且具有更低的导通电阻。

 

通过使用氮化镓开关管来减少硅MOS管的数量,还可以减小保护板的面积,使保护板可以集成到主板上,节省一块PCB,降低整体成本。

 

储能电源

 

储能电源通常都支持数百瓦的逆变输出,数百瓦的输出功率对应到电池上就是几十A的电流,好在储能电源的容量都很大,电池的放电能力都不是问题。

 

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但是电池是需要通过保护板来放电的,也就是说几十A的输出电流,也都是要通过保护板上的MOS。为了大电流放电,需要多颗硅MOS管并联,图上的储能电源保护板,就使用了10颗MOS管来对电池提供保护,使用一颗氮化镓来取代多颗并联的硅MOS管,对于储能电源来说,也可以降低整体成本。

 

氮化镓应用锂电保护优势

 

低压大电流的硅MOS管,全部具有较高的Qg,尤其是多颗并联使用时。较高的Qg会影响电池出现短路时切断电路的速度,管子关断过慢大电流流过发热严重,导致击穿失去作用进而造成更大的损坏。保护板上串联保险丝,也是用于限制短路电流,避免短路电流造成更大的损坏。

 

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使用氮化镓之后,氮化镓具有极低的Qg,具有极快的开关速度,能有效缩短短路后的关闭时间,及时切断电路确保不会有短路电流在氮化镓开关管上造成过大的损耗。

 

氮化镓开关管与传统的硅MOS不同,氮化镓具有非常低的导阻,保护芯片通过检测保护管压降来判断过电流的方式仍然可以沿用。但是氮化镓导阻极低,这对保护芯片的压降检测精度带来了更高的要求。需要重新设计压降检测精度更高的保护芯片,来适配氮化镓在锂电池保护电路中的应用。

 

性能方面介绍完毕后,是不是开始有点心动。还有个大家关心的话题绕不开,自然就是成本。目前氮化镓单颗的成本相比传统MOS略高,但是一颗顶两颗,SMT贴片费用对应降低,取代多颗时,成本下降更加明显,并且PCB面积也得到减小。从这些方面,又摊薄了应用成本压力。

 

市场前景

 

权威市调机构IDC发布的最新数据显示,2020年全球智能手机出货量达12.9亿部。出货量排名前三的品牌是三星、苹果和华为,出货量分别为2.667亿部、2.061亿部和1.89亿部。小米、OPPO也分别达成了1.478亿部和1.112亿部的出货量。

 

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每个手机都内置锂电池,也都需要保护电路。如氮化镓应用于手机锂电保护电路得到众多厂商认可,那么每年单手机市场,就有10亿颗市场需求。

 

总结

 

氮化镓在PD快充上的应用,通过高频开关,减小了变压器的尺寸,再通过低内阻和高开关速度,减小了损耗,降低了散热要求。变压器的缩小,以及无需散热措施,氮化镓的应用大幅减小了充电器的体积。

 

锂电池作为现代便携设备的主要能量来源,出货量非常巨大。随着现在手机和平板大功率快充的普及,将这些电池保护板上的硅MOS,都替换成一颗氮化镓。氮化镓所具有的低内阻优势,可以使用一颗氮化镓来代替多颗并联的硅MOS,可以减小保护板的面积,同时也减少金属的使用。

 

并且,得益于氮化镓宽禁带半导体的优势,使用氮化镓开关管的保护板,具有更高的耐压,可为保护板提供更高的过电压保护能力。期待配套的保护芯片早日成熟,助推氮化镓锂电池保护应用,推出更轻、更高效的电池产品。

此帖出自RF/无线论坛

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