深度剖析MAX1894/MAX1924：高級鋰電池組保護器的卓越之選

在當今電子設備高度依賴鋰電池的時代，電池的保護顯得尤為重要。MAX1894/MAX1924作為高級鋰（Li+）電池組保護器，為3或4串聯鋰電池組提供了全面且可靠的保護方案。下面我們就來深入了解一下這款產品。

文件下載：MAX1924.pdf

產品概述

MAX1894/MAX1924是專為3或4串聯鋰（Li+）電池組設計的保護器IC。它通過監測單個電池電壓，防止過壓和欠壓情況發生，從而延長鋰電池的使用壽命。同時，還能對充電電流、放電電流和電池組短路故障等情況進行保護。

在故障發生時，板載驅動器會控制外部P溝道MOSFET，將電池與電池組外部端子斷開。外部保護MOSFET采用共源極配置，無需外部上拉電阻。而且，該產品僅使用一個電流檢測電阻就能實現保護功能，所有保護閾值和延遲都在工廠進行了微調，無需任何外部組件。

產品特性

全面的電壓保護

• 過壓保護：工廠可編程的過壓保護閾值范圍為4V至4.4V，精度可達±0.5%。不同型號的過壓閾值有所不同，如MAX1894X為4.25V（典型值），MAX1924V和MAX1924X為4.35V（典型值）。MAX1924系列還具有200mV的遲滯特性。
• 欠壓保護：工廠可編程的欠壓保護閾值范圍為2V至3.2V，精度可達±2.0%，典型值為2.30V。

電流故障保護

能夠對充電、放電和電池組短路電流故障進行保護，當檢測到故障時，會及時采取措施斷開電路。

涓流充電功能

具備涓流充電特性，可為深度放電的電池組提供低電流充電路徑，安全地對其進行充電。

低功耗設計

• 靜態電流低至30μA（典型值），關機電流超低，僅為0.8μA（典型值），可有效防止電池深度放電。
• 輸入電壓最大可達28V，采用小型16引腳QSOP封裝，節省空間。

引腳配置與功能

工作模式

關機模式

在兩種情況下，MAX1894/MAX1924會進入關機模式：一是SHDN引腳被驅動為高電平且無充電器連接；二是檢測到電池欠壓故障且無充電器連接。在關機模式下，VCC引腳的電流消耗僅為0.8μA（典型值），所有MOSFET均關閉。只有當電池組連接到充電器且電池組電壓高于4.5V時，設備才會進入正常工作模式。

正常模式

正常工作模式下，設備處于待機模式（典型電流29μA）或采樣模式（典型電流160μA）。從關機模式進入待機模式，待機模式持續79ms后進入采樣模式。在采樣模式下，設備會檢查每個電池的過壓和欠壓情況，采樣模式持續0.5ms后返回待機模式，且在采樣模式下不會引入電池不匹配問題。同時，設備會持續監測RSENSE兩端的電壓，以檢測充電或放電電流故障以及電池組短路故障。

保護特性詳解

過壓保護

當連續四次采樣檢測到過壓故障時，CGO和TKO會變為高電平，停止充電過程。若后續未檢測到過壓，CGO和TKO會恢復到正常低電平狀態。MAX1924系列還具有200mV的遲滯特性。

欠壓保護

在無充電器且連續四次采樣檢測到欠壓故障時，DSO、CGO和TKO會變為高電平，設備進入關機模式。若連接了充電器且一個或多個電池電壓低于欠壓閾值，只有TKO會變為低電平，允許涓流充電電流流動。若所有采樣均未檢測到欠壓，DSO、CGO和TKO都會變為低電平。

充電電流故障保護

通過監測RSENSE兩端的電壓來保護電池組免受過大充電電流的影響。當VRSENSE超過充電電流故障閾值（典型值100mV）且持續時間超過3ms時，充電電流比較器會觸發，使CGO和TKO變為高電平。充電電流故障狀態會被鎖存，直到檢測到電流方向反轉才會復位。

放電電流故障保護

同樣通過監測RSENSE兩端的電壓來防止過大放電電流。當VRSENSE超過放電電流故障閾值（典型值145mV）且持續時間超過3ms時，放電電流比較器會觸發，使DSO、TKO和CGO變為高電平。放電電流故障狀態也會被鎖存，直到檢測到電流方向反轉才會復位。

電池組短路電流故障保護

監測RSENSE兩端的電壓，當VRSENSE超過電池組短路閾值（典型值405mV）且持續時間超過450μs時，電池組短路比較器會觸發，使CGO、DSO和TKO變為高電平。電池組短路電流故障狀態同樣會被鎖存，直到檢測到電流方向反轉才會復位。

設計要點

充電路徑設計

提供快速充電和涓流充電兩條路徑。可通過選擇電阻RTKO來設置涓流充電電流的標稱值，公式為(RTKO = (V{CHRG} - V{PACK}) / I{TKO})，其中(V{CHRG})為充電器輸出電壓，(V{PACK})為電池組電壓，(I{TKO})為涓流充電電流。若不使用涓流充電選項，可將CGO懸空，將TKO連接到過充保護MOSFET的柵極。

保護FET驅動器

三個外部MOSFET的源極引腳連接到SRC引腳，關閉MOSFET時，FET驅動器會將柵極拉至SRC電壓，無需額外的外部上拉電阻。開啟MOSFET時，內置的鉗位電路會將VGS限制在 -14V，允許使用最大VGS為 -20V的MOSFET。

RSENSE選擇

所有電流故障的檢測都依賴于連接在BN和PKN之間的電流檢測電阻RSENSE。其阻值決定了故障電流水平，可根據以下公式計算：

• 充電電流故障：(I{OC_TH} = V{OC_TH} / R{SENSE} = 100mV / R{SENSE})
• 放電電流故障：(I{OD_TH} = V{OD_TH} / R{SENSE} = 145mV / R{SENSE})
• 電池組短路電流故障：(I{PS_TH} = V{PS_TH} / R{SENSE} = 405mV / R{SENSE})

選擇RSENSE時，要確保其能承受正常工作和電流故障條件下的功耗。

外部MOSFET選擇

外部P溝道MOSFET作為開關，用于控制電池的充電和放電。可根據預期的充電和放電電流選擇不同的P溝道MOSFET，快速充電和放電MOSFET的要求通常相似，可使用相同類型的MOSFET。涓流充電MOSFET可選用小信號類型以降低成本。所選MOSFET的VDS必須大于電池組的最大電壓，功率耗散可根據公式(P = I^{2}R_{DSON})計算。

去耦與濾波

• 為確保MAX1894/MAX1924正常工作，VCC輸入需使用二極管 - 電容器峰值檢測器，以保證在電池電壓瞬變時仍能持續工作。由于該產品典型電流消耗僅為30μA，D1和C6可選用小型、低成本組件。
• 為防止B4P和SRC輸入的差分電壓受噪聲干擾，需在兩個輸入上添加時間常數相似的RC濾波器。

電池輸入保護與濾波

• 建議在每個B_P引腳串聯電阻，以限制相鄰B_P引腳短路時的電流。
• 中間電池輸入偏置電流典型值為0.5nA，串聯1kΩ電阻對過壓觸發點的影響較小。頂部電池采樣期間的輸入偏置電流典型值為60μA，可在頂部電池串聯10Ω至50Ω的濾波電阻，并在兩個頂部電池輸入引腳之間添加1μF電容，以減少采樣電流引起的電壓變化。
• 每個B_P引腳都有內部ESD二極管，可提供高達2kV的ESD保護。若需要更高的ESD等級，可在相鄰B_P引腳之間添加電容器（典型值0.1μF），RC濾波器可提高設備的ESD抗擾性，過濾B1P - B4P上的噪聲尖峰。

控制引腳使用

SHDN和CTL引腳允許外部邏輯或微處理器控制MAX1894/MAX1924的柵極驅動器。將CTL驅動為高電平可關閉三個保護MOSFET；將SHDN驅動為高電平（無充電器時）可使設備進入關機模式。這兩個引腳不影響狀態機，切換它們不會改變狀態或復位任何故障條件。若不使用外部控制電路或微處理器，可將SHDN和CTL連接到PKN。

布局注意事項

良好的布局對于減少系統噪聲影響、確保準確的電壓和電流測量至關重要。需注意以下幾點：

• 為大電流路徑選擇合適的走線寬度，縮短走線長度，以減少寄生電感和電容。
• 盡量縮短電流檢測電阻的走線長度，并采用開爾文連接方式連接到電阻。
• 為外部MOSFET和檢測電阻提供足夠的空間和電路板面積，以散發所需的熱量。
• 將RC濾波器放置在靠近B1P - B4P引腳的位置。

總結

MAX1894/MAX1924高級鋰電池組保護器憑借其全面的保護功能、低功耗設計和靈活的應用特性，為3或4串聯鋰電池組提供了可靠的保護解決方案。在設計過程中，合理選擇和使用相關組件、優化布局，能夠充分發揮其性能，確保電池組的安全和穩定運行。各位工程師在實際應用中，不妨根據具體需求，靈活運用這些設計要點，打造出更優質的電池保護系統。大家在使用這款產品時，有沒有遇到過什么特別的問題呢？歡迎在評論區分享交流。