深度剖析MAX1894/MAX1924：高级锂电池组保护器的卓越之选

在当今电子设备高度依赖锂电池的时代，电池的保护显得尤为重要。MAX1894/MAX1924作为高级锂（Li+）电池组保护器，为3或4串联锂电池组提供了全面且可靠的保护方案。下面我们就来深入了解一下这款产品。

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产品概述

MAX1894/MAX1924是专为3或4串联锂（Li+）电池组设计的保护器IC。它通过监测单个电池电压，防止过压和欠压情况发生，从而延长锂电池的使用寿命。同时，还能对充电电流、放电电流和电池组短路故障等情况进行保护。

在故障发生时，板载驱动器会控制外部P沟道MOSFET，将电池与电池组外部端子断开。外部保护MOSFET采用共源极配置，无需外部上拉电阻。而且，该产品仅使用一个电流检测电阻就能实现保护功能，所有保护阈值和延迟都在工厂进行了微调，无需任何外部组件。

产品特性

全面的电压保护

• 过压保护：工厂可编程的过压保护阈值范围为4V至4.4V，精度可达±0.5%。不同型号的过压阈值有所不同，如MAX1894X为4.25V（典型值），MAX1924V和MAX1924X为4.35V（典型值）。MAX1924系列还具有200mV的迟滞特性。
• 欠压保护：工厂可编程的欠压保护阈值范围为2V至3.2V，精度可达±2.0%，典型值为2.30V。

电流故障保护

能够对充电、放电和电池组短路电流故障进行保护，当检测到故障时，会及时采取措施断开电路。

涓流充电功能

具备涓流充电特性，可为深度放电的电池组提供低电流充电路径，安全地对其进行充电。

低功耗设计

• 静态电流低至30µA（典型值），关机电流超低，仅为0.8µA（典型值），可有效防止电池深度放电。
• 输入电压最大可达28V，采用小型16引脚QSOP封装，节省空间。

引脚配置与功能

引脚名称	功能
B4P	电池4正极连接，对于MAX1924V，需将B4P短接到B3P
VCC	电源输入，通过二极管和电容器连接到电池组顶部
B3P	电池3正极连接
IC3	内部连接，可悬空
B2P	电池2正极连接
IC2	内部连接，可悬空
B1P	电池1正极连接
IC1	内部连接，可悬空
BN	电池负极，连接电池1负极和电流检测电阻RSENSE顶部，也是芯片接地端
PKN	电池组负极，电流检测电阻RSENSE连接在BN和PKN之间
CTL	控制输入，正常工作时将CTL驱动为低电平，驱动为高电平时可关闭三个外部保护MOSFET
SHDN	关机控制，正常工作时将SHDN驱动为低电平，无充电器时驱动为高电平可使设备进入关机模式
TKO	涓流充电驱动器输出，正常工作时驱动外部P沟道涓流充电MOSFET的栅极为低电平
CGO	快速充电驱动器输出，正常工作时驱动外部P沟道快速充电MOSFET的栅极为低电平
DSO	放电驱动器输出，正常工作时驱动外部P沟道放电控制MOSFET的栅极为低电平
SRC	MOSFET的共源极连接，为栅极驱动器DSO、TKO和CGO提供偏置

工作模式

关机模式

在两种情况下，MAX1894/MAX1924会进入关机模式：一是SHDN引脚被驱动为高电平且无充电器连接；二是检测到电池欠压故障且无充电器连接。在关机模式下，VCC引脚的电流消耗仅为0.8µA（典型值），所有MOSFET均关闭。只有当电池组连接到充电器且电池组电压高于4.5V时，设备才会进入正常工作模式。

正常模式

正常工作模式下，设备处于待机模式（典型电流29µA）或采样模式（典型电流160µA）。从关机模式进入待机模式，待机模式持续79ms后进入采样模式。在采样模式下，设备会检查每个电池的过压和欠压情况，采样模式持续0.5ms后返回待机模式，且在采样模式下不会引入电池不匹配问题。同时，设备会持续监测RSENSE两端的电压，以检测充电或放电电流故障以及电池组短路故障。

保护特性详解

过压保护

当连续四次采样检测到过压故障时，CGO和TKO会变为高电平，停止充电过程。若后续未检测到过压，CGO和TKO会恢复到正常低电平状态。MAX1924系列还具有200mV的迟滞特性。

欠压保护

在无充电器且连续四次采样检测到欠压故障时，DSO、CGO和TKO会变为高电平，设备进入关机模式。若连接了充电器且一个或多个电池电压低于欠压阈值，只有TKO会变为低电平，允许涓流充电电流流动。若所有采样均未检测到欠压，DSO、CGO和TKO都会变为低电平。

充电电流故障保护

通过监测RSENSE两端的电压来保护电池组免受过大充电电流的影响。当VRSENSE超过充电电流故障阈值（典型值100mV）且持续时间超过3ms时，充电电流比较器会触发，使CGO和TKO变为高电平。充电电流故障状态会被锁存，直到检测到电流方向反转才会复位。

放电电流故障保护

同样通过监测RSENSE两端的电压来防止过大放电电流。当VRSENSE超过放电电流故障阈值（典型值145mV）且持续时间超过3ms时，放电电流比较器会触发，使DSO、TKO和CGO变为高电平。放电电流故障状态也会被锁存，直到检测到电流方向反转才会复位。

电池组短路电流故障保护

监测RSENSE两端的电压，当VRSENSE超过电池组短路阈值（典型值405mV）且持续时间超过450µs时，电池组短路比较器会触发，使CGO、DSO和TKO变为高电平。电池组短路电流故障状态同样会被锁存，直到检测到电流方向反转才会复位。

设计要点

充电路径设计

提供快速充电和涓流充电两条路径。可通过选择电阻RTKO来设置涓流充电电流的标称值，公式为(RTKO = (V{CHRG} - V{PACK}) / I{TKO})，其中(V{CHRG})为充电器输出电压，(V{PACK})为电池组电压，(I{TKO})为涓流充电电流。若不使用涓流充电选项，可将CGO悬空，将TKO连接到过充保护MOSFET的栅极。

保护FET驱动器

三个外部MOSFET的源极引脚连接到SRC引脚，关闭MOSFET时，FET驱动器会将栅极拉至SRC电压，无需额外的外部上拉电阻。开启MOSFET时，内置的钳位电路会将VGS限制在 -14V，允许使用最大VGS为 -20V的MOSFET。

RSENSE选择

所有电流故障的检测都依赖于连接在BN和PKN之间的电流检测电阻RSENSE。其阻值决定了故障电流水平，可根据以下公式计算：

• 充电电流故障：(I{OC_TH} = V{OC_TH} / R{SENSE} = 100mV / R{SENSE})
• 放电电流故障：(I{OD_TH} = V{OD_TH} / R{SENSE} = 145mV / R{SENSE})
• 电池组短路电流故障：(I{PS_TH} = V{PS_TH} / R{SENSE} = 405mV / R{SENSE})

选择RSENSE时，要确保其能承受正常工作和电流故障条件下的功耗。

外部MOSFET选择

外部P沟道MOSFET作为开关，用于控制电池的充电和放电。可根据预期的充电和放电电流选择不同的P沟道MOSFET，快速充电和放电MOSFET的要求通常相似，可使用相同类型的MOSFET。涓流充电MOSFET可选用小信号类型以降低成本。所选MOSFET的VDS必须大于电池组的最大电压，功率耗散可根据公式(P = I^{2}R_{DSON})计算。

去耦与滤波

• 为确保MAX1894/MAX1924正常工作，VCC输入需使用二极管 - 电容器峰值检测器，以保证在电池电压瞬变时仍能持续工作。由于该产品典型电流消耗仅为30µA，D1和C6可选用小型、低成本组件。
• 为防止B4P和SRC输入的差分电压受噪声干扰，需在两个输入上添加时间常数相似的RC滤波器。

电池输入保护与滤波

• 建议在每个B_P引脚串联电阻，以限制相邻B_P引脚短路时的电流。
• 中间电池输入偏置电流典型值为0.5nA，串联1kΩ电阻对过压触发点的影响较小。顶部电池采样期间的输入偏置电流典型值为60µA，可在顶部电池串联10Ω至50Ω的滤波电阻，并在两个顶部电池输入引脚之间添加1µF电容，以减少采样电流引起的电压变化。
• 每个B_P引脚都有内部ESD二极管，可提供高达2kV的ESD保护。若需要更高的ESD等级，可在相邻B_P引脚之间添加电容器（典型值0.1µF），RC滤波器可提高设备的ESD抗扰性，过滤B1P - B4P上的噪声尖峰。

控制引脚使用

SHDN和CTL引脚允许外部逻辑或微处理器控制MAX1894/MAX1924的栅极驱动器。将CTL驱动为高电平可关闭三个保护MOSFET；将SHDN驱动为高电平（无充电器时）可使设备进入关机模式。这两个引脚不影响状态机，切换它们不会改变状态或复位任何故障条件。若不使用外部控制电路或微处理器，可将SHDN和CTL连接到PKN。

布局注意事项

良好的布局对于减少系统噪声影响、确保准确的电压和电流测量至关重要。需注意以下几点：

• 为大电流路径选择合适的走线宽度，缩短走线长度，以减少寄生电感和电容。
• 尽量缩短电流检测电阻的走线长度，并采用开尔文连接方式连接到电阻。
• 为外部MOSFET和检测电阻提供足够的空间和电路板面积，以散发所需的热量。
• 将RC滤波器放置在靠近B1P - B4P引脚的位置。

总结

MAX1894/MAX1924高级锂电池组保护器凭借其全面的保护功能、低功耗设计和灵活的应用特性，为3或4串联锂电池组提供了可靠的保护解决方案。在设计过程中，合理选择和使用相关组件、优化布局，能够充分发挥其性能，确保电池组的安全和稳定运行。各位工程师在实际应用中，不妨根据具体需求，灵活运用这些设计要点，打造出更优质的电池保护系统。大家在使用这款产品时，有没有遇到过什么特别的问题呢？欢迎在评论区分享交流。