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電池電源控制和保護的低靜態電流解決方案

ShJE_Linear_Tec ? 來源:互聯網 ? 作者:佚名 ? 2017-09-27 14:38 ? 次閱讀

>>>> 引言

電池供電電子產品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(IQ)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 IQ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 (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。

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。

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原文標題:保護電池供電系統的解決方案

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