一文读懂!!!BMS热插拔现象认知和剖析，树立行业设计正确认知

huangguang

一、引言

本文只针对于锂电池BMS供电辅助电源供电部分热插拔问题解析。

无论汽车BMS、储能BMS、两轮车及电动工具等等行业都存在锂电池在组装阶段或者开关器件闭合阶段BMS产生热插拔现象。如图一热插拔导致的问题芯片供电引脚直接炸裂，相信大家都遇到过。



图一 芯片炸裂照片

  BMS辅助电源方案:BUCK芯片将电池电压降压或者升压用于功能模块供电。

  举个例子：如下图为厂家推荐的电路，基本对输入端口的EMC处理、热插拔处理都没有任何建议。



  该芯片最大输入VINmax=80V，接入48V锂电池时候热插拔过冲电压在大于80V时候就会产生芯片损坏问题。

二、剖析热插拔原理

当多节电池热插入电子器件时，通常会出现一些电压尖峰或振铃。如果连接到输入电源或电池连接器的 IC 引脚没有足够的额定电压，IC 可能会损坏。

深层次原因：电池电缆具有电阻和电感，并且电池瞬态放电能力强。

TI官网给出建模：



图2-1热插拔简化等效电路模型

Ri、Li代表线上电阻和电感、Rc、Ci代表输入电容和接地电阻

该公式给出了电容器 Ci 两端的电压：



个人的工程理解： 在热插拔时，锂电池瞬态放电，让电流尽量小，这时候续流导致的电压过冲将减小。增大电感和电容及串联电阻会削弱电压过冲。

以下为仿真数据：







三、解决和抑制热插拔现象

1）RC缓冲器

电子器件的电缆长度以及串联电感 Li 有很大差异。电源引脚电容也会因 IC 而异，一般而言，不能具有较大的串 联电阻。因此，有效且具有成本效益的方法是不使用 IC 引脚的电容，而是添加一个额外的小型电容器和串联电阻 作为缓冲滤波器（通常称为 RC 缓冲器）





  TI推荐的方案在端口处的电容上串接电阻，这样在插拔时候确实VIN 电压为缓升状态。该方案成本低，也不会在正常工作中额外增加功耗。

2）功率回路上增加R

  热插拔时候瞬态浪涌电压，会被RC滤掉部分，如果能量非常大，最大电流（VIN-VBUCK工作电压）/R，只要该电流小于BUCK芯片内部电源端口过压承受电流即可。

  该方案成本最低，且安全性最高。缺点为在BMS正常工作时候会消耗能量。



图3-2 回路串电阻方案

3）TVS或齐纳二极管防护

   RC 缓冲器非常适合滤除热插引起的瞬变。但是如果电源具有较大的电压摆幅，例如电池充电器输出端的电池经常对系统瞬态负载进行补充，则 RC 缓冲器不是理想选择。尽管比 RC 缓冲器成本更高，但 TVS 或齐纳二极管也可用于抑制适配器热插拔产生的电压尖峰。瞬态电压抑制二极管（即 TVS 二极管）旨在保护电子元件免受电压尖峰的影响。一旦二极管上的电压超过雪崩击 穿电势，TVS 二极管就开始工作。一旦该电压消失，TVS 二极管就会复位。TVS 二极管可以是单向的也可以是双向的。TVS二极管的 I-V 曲线图如图 3-3                          



                             图3-3 TVS防护

  BUCK芯片最大VINmax＜VCL最大钳位电压，否则会产生浪涌能量大时，无法保护BUCK芯片

  工作电压Vmax＞VBR 否则会产生漏电现象



图3-4 实际端口放置

4）缓启动电路

  通过三极管be的电压通过RC缓启动，可以避免buck芯片直接面临电压过冲问题



图3-5 缓启动电路

四 参考文献

? 德州仪器 (TI) 如何解决热插拔时的电压过冲

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