在電池供電的系統(tǒng)中開關(guān)和保護(hù)電子產(chǎn)品

引言

電池供電的電子產(chǎn)品給電源系統(tǒng)工程師造成了多種挑戰(zhàn)。從理論層面上看，電池相關(guān)電路 (在 DC/DC 轉(zhuǎn)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(jiān)視和保護(hù)。在電池供電的系統(tǒng)中一般提供多種電源，例如交流適配器、USB 端口和內(nèi)部電池，電源選擇功能確定這些電源的優(yōu)先順序，而充電電路需要針對(duì)特定電池化學(xué)組成進(jìn)行定制。監(jiān)視電路報(bào)告電池電壓、電量和溫度狀態(tài)，監(jiān)視電路與電池保護(hù)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(hù)器件的功能和優(yōu)勢(shì)，該器件非常適合從汽車、醫(yī)療到消費(fèi)類應(yīng)用的各種電池應(yīng)用。

用電池電源進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的問題

不僅是著火和爆炸，即使簡(jiǎn)單的電池相關(guān)問題也能損害一款產(chǎn)品的聲譽(yù)。因此，必須注意電池相關(guān)安全功能的設(shè)計(jì)。電池有其充電和放電電流額定值，超過這些額定值電池會(huì)發(fā)熱，這不僅會(huì)縮短電池壽命，在最壞情況下還會(huì)使電池爆炸?？梢杂帽ｋU(xiǎn)絲實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)，但是保險(xiǎn)絲太笨重，反應(yīng)慢，其跳變門限有很大的容限 (圖 1)。為了防止不可修復(fù)的損壞，充電電池進(jìn)入深度放電之前需要斷接。就一節(jié) 3.7V 鋰離子電池而言，這個(gè)電壓值約為 2.5V。需要一個(gè)欠壓閉鎖 (UVLO) 電路以斷開電池與負(fù)載的連接?？梢杂靡粋€(gè)比較器、基準(zhǔn)電壓和一個(gè)固態(tài)開關(guān)來實(shí)現(xiàn)這種電路。P 溝道 MOSFET 高壓側(cè)開關(guān)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(jià)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(gè)更高效的 N 溝道 MOSFET 低壓側(cè)開關(guān)。欠壓門限必需具有充足的遲滯;否則，由于電池電壓在負(fù)載關(guān)斷之后恢復(fù)，因此 UVLO 電路將發(fā)生“斷-通-斷”振蕩。

圖 1：一種可能的分立式電池和負(fù)載保護(hù)電路

電池保護(hù)之后，我們需要考慮負(fù)載保護(hù)。瞬態(tài)電壓抑制器在振鈴、尖峰、浪涌等短暫情況下實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)，但是在持續(xù)或 DC 過壓 (OV) 時(shí)就會(huì)燒毀。因此，需要另一個(gè)比較器針對(duì)輸入過壓保護(hù)負(fù)載。如果電池錯(cuò)誤地以相反極性插入，那么負(fù)載如果不能承受負(fù)電壓，就有可能損壞?？梢杂靡粋€(gè)串聯(lián)二極管來隔離負(fù)電壓。但是，這個(gè)二極管消耗功率，在正向運(yùn)行時(shí)產(chǎn)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(tǒng)實(shí)現(xiàn)全面保護(hù)。同時(shí)，這些電路的靜態(tài)電流消耗需要保持很低，以便電池的運(yùn)行時(shí)間和備用時(shí)間不會(huì)縮短。例如，汽車電子模塊的備用電流預(yù)算低于 100µA，以在汽車停泊幾周時(shí)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(fù)載，但是繼電器太笨重，無(wú)法減小外形尺寸。因此，需要一種更加高效、更加簡(jiǎn)單的保護(hù)方法。

用于電池電源控制和保護(hù)的低靜態(tài)電流解決方案

LTC4231 是一款超低靜態(tài)電流 (IQ) 熱插拔控制器，允許在 2.7V 至 36V 系統(tǒng) (圖 2) 中插入和抽取電路板或電池。2.7V 至 36V 運(yùn)行范圍適合多種電池化學(xué)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(tài)電流，非常適合電池供電的系統(tǒng)

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(tài)放電、連接器損壞和系統(tǒng)干擾。軟啟動(dòng)和浪涌電流值很容易用連至 MOSFET 柵極的電阻器-電容器調(diào)節(jié)。在正常運(yùn)行時(shí) (通路 MOSFET 完全接通)，通過一個(gè)定時(shí)的斷路器和快速電流限制提供雙重過流保護(hù)。當(dāng)發(fā)生輕微過載時(shí)，一個(gè)故障定時(shí)器被激活;當(dāng)該定時(shí)器期滿時(shí)，MOSFET 開路以與負(fù)載斷接。在重度過載或輸出短路的情況下，故障定時(shí)器被激活，而且負(fù)載電流被限制在比電路斷路器門限高 60% 的水平。根據(jù)選項(xiàng)的不同，LTC4231 在電流故障之后保持關(guān)斷狀態(tài)或在經(jīng)歷一個(gè) 500ms 冷卻周期之后自動(dòng)地接通。

欠壓保護(hù)斷開低壓電池以防止深度放電，同時(shí)負(fù)載去除后，可調(diào)遲滯避免電池恢復(fù)導(dǎo)致的震蕩。輸入過壓時(shí)斷接負(fù)載，從而防止損壞。LTC4231 不會(huì)損壞，并通過控制背對(duì)背 N 溝道 MOSFET (圖 3)，針對(duì)高達(dá) -40V 的反向電池保護(hù)下游電路。如果不需要反向輸入保護(hù)，那么單個(gè) MOSFET 就夠了。

圖 3：當(dāng)插入反向電池時(shí)，例如，在輸入 (IN) 端接入 -24V，LTC4231 通過隔離負(fù)電壓，防止傳播到輸出 (OUT) 來保護(hù)負(fù)載。需要背對(duì)背 MOSFET (如圖 2 所示) 來實(shí)現(xiàn)反向輸入保護(hù)。

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

降低靜態(tài)電流的方法

LTC4231 運(yùn)用了兩種創(chuàng)新方法以降低其在正常操作期間的電流消耗，同時(shí)提供與其他大消耗電流控制器毫無(wú)差別的保護(hù)功能。為了接通外部 N 溝道 MOSFET 和降低其導(dǎo)通電阻，LTC4231 采用了一個(gè)內(nèi)部充電泵，以產(chǎn)生一個(gè)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(qū)動(dòng)至導(dǎo)通之后也是持續(xù)地工作，雖然基本上處于閑置狀態(tài)，但對(duì)于靜態(tài)電流消耗“貢獻(xiàn)”顯著。與此不同，LTC4231 則是在 MOSFET 柵極達(dá)到其峰值電壓之后關(guān)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(gè)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(duì)此進(jìn)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?yàn)槌潆姳媒油〞r(shí)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(tài)電流，LTC4231 周期性地啟動(dòng)充電泵，以按需刷新 MOSFET 柵極電壓。

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

CHARGE PUMP REFRESH TIMER：充電泵刷新定時(shí)器

ΔVGATE LOW COMPARATOR：ΔVGATE 低壓比較器

CHARGE PUMP：充電泵

GATE：柵極

SOURCE：源極

降低 LTC4231 靜態(tài)電流的第二種方法是，每隔 10ms 對(duì)輸入電壓采樣一次，以確定輸入電壓是否已經(jīng)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(gè)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(jiān)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(duì)電池而言能夠很好地發(fā)揮作用，因?yàn)殡S時(shí)間流逝其電壓變換很緩慢。不過，如果在啟動(dòng)時(shí)發(fā)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(fù)載。

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

結(jié)論

出于功能性、便攜性和方便性的原因，許多新興電子應(yīng)用 (如無(wú)線傳感器、健身追蹤器、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡、無(wú)人機(jī)、機(jī)器人等) 均采用電池供電。鋰離子電池等高能量電池已經(jīng)把電池安全性的問題帶入了公眾視野。LTC4231 為特別是重視節(jié)能之應(yīng)用中的熱插拔和電池保護(hù)提供了一款簡(jiǎn)單、緊湊和堅(jiān)固的微功率解決方案，從而可避免系統(tǒng)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。