以電池供電的電子產品為電源系統工程師帶來多種挑戰。從理論層面上看,電池相關電路(在DC/DC轉換前)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埠和內部電池,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客製。

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共同使用,還可確保更高的可靠性。本文將探討新型微功率電池保護元件的功能和優勢,其非常適合從汽車、醫療到消費性應用的各種電池應用。

以電池電源進行設計時需考慮的問題

不僅是著火和爆炸,即使簡單的電池相關問題也將損害產品的聲譽,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。透過保險絲可實現過流保護,但是保險絲太笨重且反應慢,其跳變門檻具有很大的容限(圖1)。

20180201TA01P1 圖1 一種可能的分立式電池和負載保護電路。

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,就一顆3.7V鋰離子電池而言,這個電壓值約為2.5V,需要一個欠壓鎖住(UVLO)電路以斷開電池與負載的連接。可以藉由一個比較器、基準電壓和一個固態開關來建置這種電路。P通道MOSFET高壓側開關不需充電泵來導通,從而減少了電池電流洩漏,但是P通道MOSFET選擇有限,在相同導通電阻情況下,價格比N通道MOSFET高。反過來說,如果接地線可被浮置,則可以採用一個更高效的N通道MOSFET低壓側開關。欠壓門檻必需具有充足的遲滯;否則,由於電池電壓在負載關斷後恢復,因此UVLO電路將發生「斷-通-斷」振盪。

電池保護之後,需要考慮負載保護。瞬態電壓抑制器在振鈴、尖峰、湧浪等短暫情況下實現過壓(OV)保護,但是在持續或DC過壓時就會燒毀,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,那麼負載如果不能承受負電壓,就有可能損壞。串聯二極體可隔離負電壓,但是,這個二極體消耗功率在正向運行時將產生很大的壓降。

正如所見,其需要大量分立式元件和電路來為電池供電系統實現全面保護。同時,這些電路的靜態電流消耗需要保持很低,才能使電池的執行時間和備用時間不至於縮短,例如,汽車電子模組的備用電流預算低於100μA,以在汽車停放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,無法縮小外形尺寸,因此,需要一種更高效、更簡單的保護方法。

用於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~36V系統(圖2)中插入和抽取電路板或電池。2.7V~36V運行範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、鎳鎘或鹼性電池。

20180201TA01P2 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,適合電池供電的系統。

控制器元件控制外部低損耗N通道MOSFET,以緩慢地為電路板電容加電,從而避免瞬態放電、連接器損壞和系統干擾。軟啟動和湧浪電流值很容易透過連接MOSFET閘極的電阻-電容調節。在正常運行時(通路MOSFET完全導通),透過一個定時的斷路器和快速電流限制提供雙重過流保護。當發生輕微超載時,一個故障計時器被啟動;當該計時器期滿時,MOSFET開路以與負載斷接。在重度超載或輸出短路的情況下,故障計時器被啟動,而且負載電流被限制在比電路斷路器門限高60%的水準。根據選項的不同,控制器在電流故障後保持關斷狀態或在經歷一個500ms冷卻週期之後自動地導通。

欠壓保護斷開低壓電池以防止深度放電,同時負載去除後,可調遲滯避免電池恢復導致的震盪。輸入過壓時斷接負載,從而防止損壞。控制器不會損壞,並透過控制背對背N通道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,那麼單個MOSFET就夠了。

20180201TA01P3 圖3 當插入反向電池時,例如,在輸入(IN)端接入-24V,控制器透過隔離負電壓,防止傳播到輸出(OUT)來保護負載。需要背對背MOSFET(如圖2所示)實現反向輸入保護。

即使提供所有這些功能,元件的靜態電流在正常運行時也僅為4μA,將熱插拔控制器置於停機模式時,可將其IQ降至0.3μA,並關斷外部N通道功率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

新控制器運用兩種創新方法來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。為了導通外部N通道MOSFET和降低其導通電阻,控制器採用了一個內部充電泵,以產生一個至少比輸入電壓高10V的閘極電壓。在其他控制器中,充電泵即使在閘極被驅動至導通後仍持續工作,雖然基本上其是處於閒置狀態,但對於靜態電流消耗「貢獻」顯著。而與此不同的是,控制器元件是在MOSFE閘極達到其峰值電壓後關斷充電泵,若閘極電壓由於漏電的因素而下降,則充電泵將導通以提供一個電荷脈衝,從而刷新閘極電壓。

在圖4中以0.1μA和1μA的閘極漏電流為例對此進行了說明,該方法將充電泵電流消耗減小了50~100倍,這是因為充電泵導通時的電流消耗為200μA,但在睡眠模式中則降至2μA。

20180201TA01P4 圖4a 為了降低靜態電流,控制器週期性地啟動充電泵,以按需刷新MOSFET閘極電壓。圖4b針對兩個不同的閘極洩漏例子(ΔVGATE是閘極至源極電壓,ICC是控制器的電流消耗)顯示MOSFET閘極電壓刷新率。

降低熱插拔控制器靜態電流的第二種方法,是每隔10ms對輸入電壓採樣一次,以確定輸入電壓是否已經低於欠壓門檻或高於過壓門檻。該元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)。偶爾採樣使電阻分壓器的電流消耗降低50倍,這是採樣週期(10ms)除以採樣窗口(200μs)得出。

20180201TA01P5 圖5 每隔10ms在200μs窗口(2%工作週期)內監視輸入電壓,以將UV/OV監視電流消耗降低50倍。在採樣視窗中,GNDSW透過一個內部80Ω開關連接到GND。

監視UVL、UVH和O接腳的比較器在採樣窗口中導通,從而使平均電流消耗也降低50倍。10ms採樣週期對電池而言能良好發揮作用,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,控制器會保持MOSFET斷開,以隔離超範圍電壓,防止其傳播到負載。

結論

基於功能性、可攜性和方便性等原因,許多新興電子應用如無線感測器、健身追蹤器、增強現實眼鏡、無人機、機器人等,均採用電池供電。鋰電池等高能量電池已經將電池安全性的問題帶入公眾視野,本文介紹的熱插拔控制器為特別重視節能應用中的熱插拔和電池保護提供一款簡單、精小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、輸出超載或短路、過壓和電池反接的損壞。