Pinkesh Sachdev

產品市場工程師 

混合信號產品

凌力爾特公司(現隸屬 Analog Devices 公司)

引言

電池供電的電子產品給電源系統工程師造成了多種挑戰。從理論層面上看，電池相關電路 (在 DC/DC 轉換之前) 可以分成 4 種功能：電源選擇、充電 (就充電電池而言)、監視和保護。在電池供電的系統中一般提供多種電源，例如交流適配器、USB 端口和內部電池，電源選擇功能確定這些電源的優先順序，而充電電路需要針對特定電池化學組成進行定制。監視電路報告電池電壓、電量和溫度狀態，監視電路與電池保護電路一起使用，還可確保更高的可靠性。在本文中，我們將探討一種新的微功率電池保護器件的功能和優勢，該器件非常適合從汽車、醫療到消費類應用的各種電池應用。

用電池電源進行設計時需要考慮的問題

不僅是著火和爆炸，即使簡單的電池相關問題也能損害一款產品的聲譽。因此，必須注意電池相關安全功能的設計。電池有其充電和放電電流額定值，超過這些額定值電池會發熱，這不僅會縮短電池壽命，在最壞情況下還會使電池爆炸。可以用保險絲實現過流保護，但是保險絲太笨重，反應慢，其跳變門限有很大的容限 (圖 1)。為了防止不可修復的損壞，充電電池進入深度放電之前需要斷接。就一節 3.7V 鋰離子電池而言，這個電壓值約為 2.5V。需要一個欠壓閉鎖 (UVLO) 電路以斷開電池與負載的連接。可以用一個比較器、基準電壓和一個固態開關來實現這種電路。P 溝道 MOSFET 高壓側開關不需要充電泵來接通，從而減少了電池電流泄漏，但是 P 溝道 MOSFET 選擇有限，在相同接通電阻情況下，價格比 N 溝道 MOSFET 高。反過來，如果接地線可被浮置，則可以采用一個更高效的 N 溝道 MOSFET 低壓側開關。欠壓門限必需具有充足的遲滯；否則，由于電池電壓在負載關斷之后恢復，因此 UVLO 電路將發生“斷-通-斷”振蕩。

圖 1：一種可能的分立式電池和負載保護電路

電池保護之后，我們需要考慮負載保護。瞬態電壓抑制器在振鈴、尖峰、浪涌等短暫情況下實現過壓保護，但是在持續或 DC 過壓 (OV) 時就會燒毀。因此，需要另一個比較器針對輸入過壓保護負載。如果電池錯誤地以相反極性插入，那么負載如果不能承受負電壓，就有可能損壞。可以用一個串聯二極管來隔離負電壓。但是，這個二極管消耗功率，在正向運行時產生很大的壓降。

正如我們看到的那樣，需要大量分立式組件和電路以為電池供電的系統實現全面保護。同時，這些電路的靜態電流消耗需要保持很低，以便電池的運行時間和備用時間不會縮短。例如，汽車電子模塊的備用電流預算低于100µA，以在汽車停泊幾周時防止電池放電。就消耗大電流的電路而言，可以使用繼電器斷開電路和電池。繼電器還可用來接通和斷開負載，但是繼電器太笨重，無法減小外形尺寸。因此，需要一種更加高效、更加簡單的保護方法。

用于電池電源控制和保護的低靜態電流解決方案

LTC4231 是一款超低靜態電流(I_Q)熱插拔控制器，允許在 2.7V 至 36V 系統 (圖 2) 中插入和抽取電路板或電池。2.7V 至 36V 運行范圍適合多種電池化學組成，包括鉛酸、鋰離子和疊置式鎳氫金屬、鎳鎘或堿性電池。

圖 2：LTC4231 熱插拔控制器和電子電路斷路器僅消耗4µA靜態電流，非常適合電池供電的系統

LTC4231 控制外部低損耗 N 溝道 MOSFET，以緩慢地給電路板電容器加電，從而避免瞬態放電、連接器損壞和系統干擾。軟啟動和浪涌電流值很容易用連至 MOSFET 柵極的電阻器-電容器調節。在正常運行時 (通路 MOSFET 完全接通)，通過一個定時的斷路器和快速電流限制提供雙重過流保護。當發生輕微過載時，一個故障定時器被激活；當該定時器期滿時，MOSFET 開路以與負載斷接。在重度過載或輸出短路的情況下，故障定時器被激活，而且負載電流被限制在比電路斷路器門限高 60% 的水平。根據選項的不同，LTC4231 在電流故障之后保持關斷狀態或在經歷一個 500ms 冷卻周期之后自動地接通。

欠壓保護斷開低壓電池以防止深度放電，同時負載去除后，可調遲滯避免電池恢復導致的震蕩。輸入過壓時斷接負載，從而防止損壞。LTC4231 不會損壞，并通過控制背對背 N 溝道 MOSFET (圖 3)，針對高達-40V 的反向電池保護下游電路。如果不需要反向輸入保護，那么單個 MOSFET 就夠了。

圖 3：當插入反向電池時，例如，在輸入(IN)端接入-24V，LTC4231 通過隔離負電壓，防止傳播到輸出 (OUT) 來保護負載。需要背對背 MOSFET (如圖 2 所示) 來實現反向輸入保護。

即使提供所有這些功能，器件的靜態電流在正常運行時也僅為4µA，將 LTC4231 置于停機模式時，可將其I_Q降至0.3μA，并關斷外部 N 溝道功率 MOSFET 以斷接下游電路，從而延長電池備用時間。為了確保低電流運行，欠壓和過壓阻性分壓器被連接至一個選通接地，從而將其平均吸收電流降低 50 倍。

降低靜態電流的方法

LTC4231 運用了兩種創新方法以降低其在正常操作期間的電流消耗，同時提供與其他大消耗電流控制器毫無差別的保護功能。為了接通外部 N 溝道 MOSFET 和降低其導通電阻，LTC4231 采用了一個內部充電泵，以產生一個至少比輸入電壓高 10V 的柵極電壓。在其他控制器中，充電泵即使在柵極被驅動至導通之后也是持續地工作，雖然基本上處于閑置狀態，但對于靜態電流消耗“貢獻”顯著。與此不同，LTC4231 則是在 MOSFET 柵極達到其峰值電壓之后關斷充電泵。如果柵極電壓由于漏電的原因下降，則充電泵接通以提供一個電荷脈沖，從而刷新柵極電壓。在圖 4 中以0.1µA 和 1µA的柵極漏電流為例對此進行了說明。該方法把充電泵電流消耗減小了 50 至 100 倍，這是因為充電泵接通時的電流消耗為 200µA，但在睡眠模式中則降至 2µA。

圖 4a：為了降低靜態電流，LTC4231 周期性地啟動充電泵，以按需刷新 MOSFET 柵極電壓。

圖 4b：針對兩個不同的柵極泄漏例子 (ΔV_GATE是柵極至源極電壓，I_CC是 LTC4231的電流消耗) 顯示 MOSFET 柵極電壓刷新率。

注：

CHARGE PUMP REFRESH TIMER：充電泵刷新定時器

ΔV_GATE LOW COMPARATOR：ΔV_GATE低壓比較器

CHARGE PUMP：充電泵

GATE：柵極

SOURCE：源極

降低 LTC4231 靜態電流的第二種方法是，每隔 10ms 對輸入電壓采樣一次，以確定輸入電壓是否已經低于欠壓門限或高于過壓門限。該器件還為外部輸入電壓的電阻分壓器提供一個選通接地連接 (GNDSW) (圖 5)。偶爾采樣使電阻分壓器的電流消耗降低50倍，這是采樣周期 (10ms) 除以采樣窗口 (200µs) 得出的。監視UVL、UVH和 OV引腳的比較器在采樣窗口中接通，從而使平均電流消耗也降低 50 倍。10ms 采樣周期對電池而言能夠很好地發揮作用，因為隨時間流逝其電壓變換很緩慢。不過，如果在啟動時發生欠壓或過壓情況，LTC4231 就保持 MOSFET 斷開，以隔離超范圍電壓，防止其傳播到負載。

圖 5：每隔 10ms 在200µs窗口 (2% 占空比) 內監視輸入電壓，以將 UV/OV 監視電流消耗降低 50 倍。在采樣窗口中，GNDSW 通過一個內部80Ω開關連接到 GND。

結論

出于功能性、便攜性和方便性的原因，許多新興電子應用 (如無線傳感器、健身追蹤器、增強現實眼鏡、無人機、機器人等) 均采用電池供電。鋰離子電池等高能量電池已經把電池安全性的問題帶入了公眾視野。LTC4231 為特別是重視節能之應用中的熱插拔和電池保護提供了一款簡單、緊湊和堅固的微功率解決方案，從而可避免系統遭受電池深度放電、輸出過載或短路、過壓和電池反接的損壞。