LTC68XX系列AFE均衡电路有哪些优化

一路上

前言

这次说说ADI的LTC68XX系列AFE的均衡的一些问题。LTC68XX系列均衡功能主要是被动均衡，分为内部均衡和外部均衡。

内部均衡与外部均衡

LTC6811内部均衡电路官方推荐典型电路如下，由于均衡电流经过滤波电阻，所以通常滤波电阻不能选择太大，否则会导致均衡电流太小，使均衡功能打折扣。所以通常内部均衡应用的比较少。

外部均衡推荐的典型电路如下，大部分厂家都采用了外部均衡。外部均衡最主要的是需要外接一个PMOS和一个放电电阻，看起来放电电路比较简单，但是对比几个迭代的LTC68XX系列，均衡电路也发现了一些有意思的变化。

外部均衡电路的一些变化

首先，我们得知道MOSFET是利用输入回路的电场效应来控制输出回路的电流的。典型VI特向曲线如下图。

VGS一定时，随着VDS的增大，输出电流IDS最终保持恒定（压控电流源模型）。

虽然MOSFET导通不消耗栅极电流，但是GS之间构成的实际是一个电容，在导通和关闭的瞬间实际就是给这个电容进行充放电，如果希望开关速度够快，则要求对电容有较大的充放电电流，尤其是需要对该电容快速放电。实际的均衡策略是让外部PMOS导通均衡放电，间隔一段时间（毫秒级），关闭均衡，进行电压采样（开启均衡的时候采样电压是不准确的），即对PMOS的导通速度还是希望快一些的。

所以为了对MOS管的GS之间电容快速放电，一般会考虑在GS两端直接短接或加一个放电电阻。

对比LTC6803、LTC6804和LTC6811，对该电容放电的方法均有所不同，也能看出LTC68XX系列AFE在均衡电路上的的优化进化之路。

先看LTC6803：

上图为LTC6803，它推荐的方法是直接在外围电路PMOS的GS两端加一个齐纳二极管，当关断均衡的时候，GS之间的电容通过该二极管的正向导通功能快速放电，同时该二极管还起到稳压保护的功能。看起来不错，但实际上由于来自母线的浪涌干扰、破坏，一般的稳压二极管是扛不住多次数、能量高的浪涌冲击的，其失效几率并不低。

再看LTC6804:

上图LTC6804，推荐外围电路，外置的PMOS的GS两端没有了稳压二极管。

将一个普通二极管串联一个10K电阻集成到AFE内部了，10K的限流电阻，二极管也起到防反向的作用，即使浪涌损坏了二极管，10K电阻还是可以给电容放电，均衡MOS功能不受影响。看起来更好了一些，可是10K的电阻也会降低电容的放电速度，会影响PMOS的开关速度（别忘了外围S脚还有个3.3K电阻串联一起），同时普通的二极管防浪涌能力更差了。

最后再看看LTC6811：

推荐的外围电路中，最大的改变是推荐了英飞凌的PMOS（BSS309PE），从结构可看出，该PMOS的GS两端自带了TVS管。TVS能吸收更大功率的浪涌冲击。

内部依然集成了防反向二极管和限流电阻，并且将限流电阻改小到1K，这样会提高GS之间电容的放电速度，使得PMOS开关频率可以更高。

最后，我们来搭建一个LTC6811均衡电路的仿真波形吧（只搭建三节）：

动作开关，测得GS两端波形：

如果把放电电阻R12和二极管D2去除,再看看波形：

没了泄放通路，GS之间的电容放电及其缓慢，断开开关400ms后，GS两端仍然还有电压，严重影响PMOS开关速度。

总结

今天主要是回顾一下ADI的AFE芯片均衡电路的迭代的变化，不仅可以大致看出ADI对此的优化思路，主要是为了提升均衡电路的防护能力、提高PMOS开关速度；同时深入的了解到MOS管的一些特性，MOS管GS之间形成的电容，开关速度实质上取决于对该电容的充放电速度，需要了解电容泄放通路的方法，这样对于此模块的一些失效分析会有帮助。