能收集能量并保護電池組的并聯(lián)充電器系統(tǒng)
背景
在市場上，能量收集 IC 剛剛進入最初采用階段。能量收集 IC 可將適合的換能器輸出轉(zhuǎn)換成電流，用于電池充電器設(shè)備。盡管能量收集自 2000 年初就已經(jīng)出現(xiàn)了，但是最近的技術(shù)發(fā)展才將能量收集推進到可商用的程度。在能量收集應(yīng)用領(lǐng)域有很多機會，包括：
• 在更換電池不方便、不現(xiàn)實或危險的情況下，取代電池供電系統(tǒng)或給電池供電系統(tǒng)再充電
• 無需導(dǎo)線來供電或傳送數(shù)據(jù)
• 用智能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視和優(yōu)化復(fù)雜的工業(yè)過程、安裝在偏遠現(xiàn)場的設(shè)備、以及大樓的加熱和冷卻系統(tǒng)
• 從工業(yè)過程、太陽能電池板、內(nèi)燃機等收集否則會浪費掉的熱量
• 各種不同的消費電子產(chǎn)品的附屬充電器
在這些應(yīng)用中，有很多含有固有的斷續(xù)或低功率電源。而且，有很多應(yīng)用將需要給電池充電，以提供一個備份電源。
并聯(lián)電壓基準簡單易用，已經(jīng)出現(xiàn)很多年了，有大量產(chǎn)品。不過，這類基準不能有效地給電池充電。要配置一個并聯(lián)電壓基準以給電池有效充電是極端復(fù)雜的。此外，用一個小電流電源或一個斷續(xù)性能量收集電源準確和安全地給鋰離子 / 聚合物、幣形電池或薄膜電池充電，一直是難以實現(xiàn)的。
從電池方面來看，盡管技術(shù)已經(jīng)改進了，但是便攜式電子設(shè)備的電池或電池組仍然需要保護和查驗，以保持電池在最佳狀態(tài)運行。鋰離子 / 聚合物電池技術(shù)已經(jīng)成熟，是很多電子設(shè)備流行的電源選擇，因為這類電池能量密度高、自放電很少、需要很少的維護、電壓范圍很寬并具有其他一些特色。幣形電池能量密度高、放電特性穩(wěn)定、重量輕且外形尺寸小。薄膜電池是一種新出現(xiàn)的技術(shù)，優(yōu)勢是允許非常多的充電周期次數(shù)，并具有物理靈活性，即視最終應(yīng)用的不同而不同，薄膜電池可以做成幾乎任何形狀。不過，如果不能正確充電和查驗，那么所有這些類型的電池都可能受到一些有害影響。
低功耗充電器的設(shè)計挑戰(zhàn)
可調(diào)并聯(lián)基準可被設(shè)定以提供恰當(dāng)?shù)碾姵馗≈秒妷?，但是這類基準缺乏電池充電器的 NTC 功能。更重要的是，所需的工作電流太高了，以至于用低功率電源或斷續(xù)性電源給電池充電是不現(xiàn)實的?；蛘?，可以用一個齊納二極管、一些電阻器、一個 NPN 晶體管和一些比較器構(gòu)成一個分立式并聯(lián)基準，以提供 NTC 功能。不過，這樣的并聯(lián)基準仍然受到前述限制。此外，分立式并聯(lián)基準實現(xiàn)起來比較復(fù)雜，相比之下，會占用更多寶貴的 PCB 面積。
典型的電池充電器 IC 需要恒定 DC 輸入電壓，而且不能處理能量突發(fā)。不過，諸如室內(nèi)光伏陣列或壓電換能器等斷續(xù)性能量收集電源提供的是功率突發(fā)。要用這類能源給電池充電，一個靜態(tài)工作電流低于 1uA 的獨特 IC 是必需的。
鋰離子 / 聚合物化學(xué)組成的電池提供便攜式電子設(shè)備必需的高性能，但是這類電池必須小心使用。例如，如果用比建議浮置電壓高 100mV 的電壓充電，鋰離子 / 聚合物電池可能變得不穩(wěn)定。此外，高壓和高溫同時存在會對電池壽命產(chǎn)生有害影響，而且在極端情況下，可能導(dǎo)致電池自毀。就幣形電池和薄膜電池而言，除了高溫和高壓同時存在可能產(chǎn)生有害影響，還有容量問題，因為它們的外形尺寸很小。
并聯(lián)架構(gòu)的基本要素和好處
并聯(lián)基準是電流饋送型、兩端子電路，在達到目標電壓之前不吸取電流。并聯(lián)基準用起來像一個齊納二極管，而且在電路原理圖上常常顯示為一個齊納二極管。不過，大多數(shù)并聯(lián)基準實際上都是基于帶隙基準電壓的。
一個并聯(lián)基準僅需要單個外部電阻器來調(diào)節(jié)輸出電壓，從而極其容易使用。沒有最高輸入電壓限制，最低輸入電壓由基準電壓值設(shè)定，因為需要一些空間以正常運行。
此外，并聯(lián)基準在寬電流范圍內(nèi)有良好的穩(wěn)定性。很多并聯(lián)基準在有大型或小型容性負載時都是穩(wěn)定的。
一個簡單的解決方案
滿足前述電池充電器 IC 設(shè)計限制的任何解決方案都必須兼有如下特性：并聯(lián)穩(wěn)壓器的特性；能用低功率連續(xù)或斷續(xù)性電源充電的電池充電 IC 的特性。這樣的器件還需要保護鋰離子/聚合物電池、幣形電池、薄膜電池或電池組的安全，并使電池或電池組達到最高性能。
凌力爾特開發(fā)了業(yè)界第一款并聯(lián)架構(gòu)電池充電器 LTC4070 和 LTC4071，以滿足這類應(yīng)用的需求。LTC4070 是一款易用、纖巧的并聯(lián)電池充電器系統(tǒng) IC，適用于鋰離子 / 聚合物電池、幣形電池或薄膜電池。該 IC 的工作電流為 450nA，可保護電池，并可用以前不能使用的非常小電流的斷續(xù)性或連續(xù)性充電電源給這些電池充電。增加一個外部 PMOS 并聯(lián)器件，LTC4070 的充電電流就可以從 50mA 提高到 500mA。當(dāng)電池溫度升高時，內(nèi)部電池?zé)崃坎轵炂鹘档透≈秒妷?，以保護鋰離子 / 聚合物電池的安全。通過串聯(lián)配置幾個 LTC4070，可以給由多節(jié)電池組成的電池組充電，并實現(xiàn)各節(jié)電池的容量平衡。LTC4070 采用扁平 (0.75mm) 8 引線 2mm x 3mm DFN 封裝，僅用單個外部電阻器 (要求與輸入電壓串聯(lián)) 就能組成一個完整和超緊湊的充電器解決方案。該器件的功能集使其非常適用于連續(xù)性和斷續(xù)性低功率充電電源應(yīng)用，包括鋰離子 / 聚合物電池備份、薄膜電池、幣形電池、存儲器備份、太陽能供電系統(tǒng)、嵌入式汽車和能量收集。
LTC4070提供引腳可選的 4.0V、4.1V 和 4.2V 設(shè)置，其準確度為 1% 的電池浮置電壓允許用戶在電池能量密度和壽命之間進行取舍。獨立的低電池電量和高電池電量監(jiān)察狀態(tài)輸出指示放電或完全充電的電池。再加上一個與負載串聯(lián)的外部 P-FET，該低電池電量狀態(tài)輸出可實現(xiàn)鎖斷功能，該功能自動斷接系統(tǒng)負載和電池，以防止電池深度放電。
除了緊湊的 2mm x 3mm 8 引線 DFN 封裝，LTC4070 還采用 8 引線 MSOP。這些器件規(guī)定在 -40C 至 125C 的溫度范圍內(nèi)工作。
圖 1：LTC4070 的典型應(yīng)用電路
通過防止電池電壓超過設(shè)定水平，LTC4070 提供了一個簡單、可靠、高性能的電池保護和充電解決方案。其并聯(lián)架構(gòu)在輸入電源和電池之間僅需要一個電阻器，就可應(yīng)對多種電池應(yīng)用。當(dāng)輸入電源去掉，且電池電壓低于高的電池輸出門限時，LTC4070 僅從電池吸取 450nA 電流。
當(dāng)電池電壓低于設(shè)定的浮置電壓時，充電速率由輸入電壓、電池電壓和輸入電阻器決定：
ICHG = (VIN − VBAT) / RIN
當(dāng)電池電壓接近浮置電壓時，LTC4070 從電池分走一部分電流，從而降低了充電電流。在整個溫度范圍內(nèi)變化浮置電壓的準確度為 ±1% 時，LTC4070 可以分走高達 50mA 的電流。分流限制了最大充電電流，不過通過增加一個外部 P 溝道 MOSFET，50mA 的內(nèi)部分流能力還可以提高，參見圖 1。
在內(nèi)部，LTC4070 采用了一個由放大器 EA (參見圖 2) 驅(qū)動的 P 溝道 MOSFET。VCC 和 GND 之間的電壓達到 VF (即并聯(lián)電壓) 之前，流經(jīng)該器件的電流為零。VF 可以由 ADJ 和 NTC 改變，但始終在 3.8V 到 4.2V 之間。如果 VCC 電壓低于這個值，那么 PFET 中的電流為零。如果 VCC 電壓試圖上升到超過 VF，那么電流將流過該器件，以防止電壓上升，這就是分流。
工作電流是給該芯片中其余所有電路供電所需的電流。如果不存在外部電源，那么這就是從電池吸取的電流。
當(dāng)電池電壓低時，更多的電壓加在輸入電阻器兩端，因此進入電池的電流 (即充電電流) 略大于電池完全充電時的電流。當(dāng)電池充滿電時，將沒有電流進入電池，所有的輸入電流都將進入分流器。
工作電流很重要，因為它給“實際”輸入電源的電流能力設(shè)定了一個低限制。顯然，一個僅有 100nA驅(qū)動能力的輸入電源不可能給采用 LTC4070 的電池充電。不過，如果有 1uA 的驅(qū)動能力，就能剩下少量電流去充電。如果能得到 10uA 的驅(qū)動能力，那么該電流 90% 以上都可用于充電。
圖 2：LTC4070 方框圖
NTC 電池查驗電路保護電池
LTC4070 用一個通過熱量耦合到電池的負溫度系數(shù)熱敏電阻測量電池溫度。NTC 熱敏電阻的溫度特性在電阻-溫度轉(zhuǎn)換表中規(guī)定。在溫度高于 40°C 以后，每上升 10°C，內(nèi)部 NTC 電路就降低一次浮置電壓，以防止電池過熱 (參見圖 3 以了解詳細信息)。
LTC4070 采用一個電阻值之比來測量電池溫度。LTC4070 在 NTCBIAS 與 GND 引腳之間布設(shè)了一個具 4 個抽頭的內(nèi)部固定電阻分壓器。定期地將這些抽頭上的電壓與 NTC 引腳上的電壓進行比較，以測量電池溫度。為了節(jié)省功率，通過以大約每 1.5s 一次的頻度把 NTCBIAS 引腳偏置至 VCC 來定期測量電池溫度。
圖 3： LTC4070 過熱浮置電壓查驗
其他關(guān)鍵功能
LTC4070 具有一個與 ADJ 引腳相連的內(nèi)置三態(tài)解碼器，用以提供 3 種可編程浮置電壓：4.0V、4.1V、或 4.2V。當(dāng) ADJ 引腳連接至 GND、浮置或連接至 VCC 時，浮置電壓將被分別設(shè)置為 4.0V、4.1V 或 4.2V。大約每 1.5s 對 ADJ 引腳的狀態(tài)進行一次采樣。當(dāng) ADJ 引腳被采樣時，LTC4070 在其上施加一個相對較低的阻抗電壓。這種做法可以防止低水平的電路板漏電流破壞設(shè)定的浮置電壓。免除電阻器不僅縮減了解決方案的外形尺寸，而且還由于無需使用大阻值的電阻器而降低了靜態(tài)電流。
另外，該器件還具有狀態(tài)輸出及發(fā)送指示信號的能力。高電池電量監(jiān)視器輸出 (HBO) 是一個高態(tài)有效 CMOS 輸出，當(dāng)電池充滿電且電流通過分路離開 BAT 時，該輸出將發(fā)出指示信號。低電池電量監(jiān)視器輸出 (LBO) 也是一個高態(tài)有效 CMOS 輸出，當(dāng)電池放電至 3.2V 以下時，此輸出將發(fā)出對應(yīng)的指示信號。最后，外部驅(qū)動器輸出引腳 DRV 可連接至外部 P-FET 的柵極以增加分路電流，從而滿足那些需要 50mA 以上充電電流 (最大 500mA) 的應(yīng)用。
LTC4071 集成電池組保護功能
LTC4071 也是一個并聯(lián)電池充電器系統(tǒng)，而且還是首款具有集成型電池組保護功能 (包括低電池電量斷接) 的器件。相比于 LTC4070，LTC4071 的不同之處包括：其擁有集成型電池組保護功能 (低電池電量斷接) 、但充電電流能力較低 (50mA)、靜態(tài)電流較高 (550nA) 、且不具備 LBO。對于避免低電量電池由于自放電而受損而言，低電池電量斷接是一種必需的關(guān)鍵性功能。雖然 LTC4070 能夠利用 LBO 和一個外部 P-FET 來實現(xiàn)低電池電量斷接功能，但該 IC 仍將繼續(xù)從電池消耗全部 IQ (約 0.5μA)。即使是如此之小的電池漏電流也會在一夜之間導(dǎo)致低電量電池的損壞。相反，LTC4071 集成了一個徹底的低電池電量斷接功能，當(dāng)斷接時，從電池吸取的電流接近零 (在室溫時 <1nA，在 125°C 時 < 25nA)。為了在 LTC4071 中提供這一功能，相應(yīng)于 LTC4070 的 LBO 和 DRV 引腳被去掉了。參見圖 4 以了解詳細信息。這使 LTC4071 的最大分流電流固定為 50mA (LTC4070 是 50mA，但采用一個外部 FET，就能達到 500mA)，而且將該 IC 的靜態(tài)電流提高到了 550nA (LTC4070 的靜態(tài)電流為 450nA)。下表 1 總結(jié)了這兩個相互關(guān)聯(lián)的 IC 之間的差別。
圖 4：LTC4071 的典型應(yīng)用電路
表 1：LTC4070 和 LTC4071 的比較
結(jié)論
并聯(lián)基準有很多應(yīng)用，而且視其功能的不同而不同，并聯(lián)基準甚至可以用來給電池充電。不過，這種類型的應(yīng)用有很多缺點，包括大靜態(tài)電流和缺乏電池保護功能?，F(xiàn)在，有了合適的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器或電池充電器，因此可以對低功率能量收集應(yīng)用進行查驗了。凌力爾特公司開發(fā)了 LTC4070 和 LTC4071 并聯(lián)充電器系統(tǒng)，這兩款器件適用于鋰離子 / 聚合物電池、幣形電池、薄膜電池和電池組，可為具有低功率電源的領(lǐng)先應(yīng)用提供一種簡單、有效的電池充電和電池組保護解決方案。
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