從理論層麵上看，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。在電池供電的係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一起使用，還可確保更高的可靠性。

 

用電池電源進行設計時需要考慮的問題

 

不bu僅jin是shi著zhe火huo和he爆bao炸zha，即ji使shi簡jian單dan的de電dian池chi相xiang關guan問wen題ti也ye能neng損sun害hai一yi款kuan產chan品pin的de聲sheng譽yu。因yin此ci，必bi須xu注zhu意yi電dian池chi相xiang關guan安an全quan功gong能neng的de設she計ji。電dian池chi有you其qi充chong電dian和he放fang電dian電dian流liu額e定ding值zhi
，超chao過guo這zhe些xie額e定ding值zhi電dian池chi會hui發fa熱re，這zhe不bu僅jin會hui縮suo短duan電dian池chi壽shou命ming，在zai最zui壞huai情qing況kuang下xia還hai會hui使shi電dian池chi爆bao炸zha。可ke以yi用yong保bao險xian絲si實shi現xian過guo流liu保bao護hu，但dan是shi保bao險xian絲si太tai笨ben重zhong
，反fan應ying慢man，其qi跳tiao變bian門men限xian有you很hen大da的de容rong限xian (圖 1)。為了防止不可修複的損壞，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，由於電池電壓在負載關斷之後恢複，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

 

電池保護之後
，我們需要考慮負載保護。瞬態電壓抑製器在振鈴、尖峰、浪湧等短暫情況下實現過壓保護，但是在持續或 DC 過壓 (OV) 時shi就jiu會hui燒shao毀hui。因yin此ci
，需xu要yao另ling一yi個ge比bi較jiao器qi針zhen對dui輸shu入ru過guo壓ya保bao護hu負fu載zai。如ru果guo電dian池chi錯cuo誤wu地di以yi相xiang反fan極ji性xing插cha入ru，那na麼me負fu載zai如ru果guo不bu能neng承cheng受shou負fu電dian壓ya，就jiu有you可ke能neng損sun壞huai。可ke以yi用yong一yi個ge串chuan聯lian二er極ji管guan來lai隔ge離li負fu電dian壓ya。但dan是shi，這zhe個ge二er極ji管guan消xiao耗hao功gong率lv，在zai正zheng向xiang運yun行xing時shi產chan生sheng很hen大da的de壓ya降jiang。

 

正(zheng)如(ru)我(wo)們(men)看(kan)到(dao)的(de)那(na)樣(yang)
，需(xu)要(yao)大(da)量(liang)分(fen)立(li)式(shi)組(zu)件(jian)和(he)電(dian)路(lu)以(yi)為(wei)電(dian)池(chi)供(gong)電(dian)的(de)係(xi)統(tong)實(shi)現(xian)全(quan)麵(mian)保(bao)護(hu)。同(tong)時(shi)，這(zhe)些(xie)電(dian)路(lu)的(de)靜(jing)態(tai)電(dian)流(liu)消(xiao)耗(hao)需(xu)要(yao)保(bao)持(chi)很(hen)低(di)
，以(yi)便(bian)電(dian)池(chi)的(de)運(yun)行(xing)時(shi)間(jian)和(he)備(bei)用(yong)時(shi)間(jian)不(bu)會(hui)縮(suo)短(duan)。例(li)如(ru)
，汽(qi)車(che)電(dian)子(zi)模(mo)塊(kuai)的(de)備(bei)用(yong)電(dian)流(liu)預(yu)算(suan)低(di)於(yu) 100µA，yizaiqichetingbojizhoushifangzhidianchifangdian。jiuxiaohaodadianliudedianlueryan
，keyishiyongjidianqiduankaidianluhedianchi。jidianqihaikeyonglaijietongheduankaifuzai，danshijidianqitaibenzhong，wufajianxiaowaixingchicun。yinci，xuyaoyizhonggengjiagaoxiao、更加簡單的保護方法。

 

用於電池電源控製和保護的低靜態電流解決方案

 

LTC4231 是一款超低靜態電流 (IQ) 熱插拔控製器
，允許在 2.7V 至 36V 係統 (圖 2) 中插入和抽取電路板或電池。2.7V 至 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、鎳鎘或堿性電池。

 

圖 2：LTC4231 熱插拔控製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係統

 

LTC4231 控製外部低損耗 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、連接器損壞和係統幹擾。軟啟動和浪湧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製提供雙重過流保護。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，而且負載電流被限製在比電路斷路器門限高 60% 的水平。根據選項的不同，LTC4231 在電流故障之後保持關斷狀態或在經曆一個 500ms 冷卻周期之後自動地接通。

 

欠壓保護斷開低壓電池以防止深度放電，同時負載去除後，可調遲滯避免電池恢複導致的震蕩。輸入過壓時斷接負載
，從而防止損壞。LTC4231 不會損壞
，並通過控製背對背 N 溝道 MOSFET (圖 3)，針對高達 -40V 的反向電池保護下遊電路。如果不需要反向輸入保護，那麼單個 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 置於停機模式時，可將其 IQ 降至 0.3μA，並關斷外部 N 溝道功率 MOSFET 以yi斷duan接jie下xia遊you電dian路lu，從cong而er延yan長chang電dian池chi備bei用yong時shi間jian。為wei了le確que保bao低di電dian流liu運yun行xing
，欠qian壓ya和he過guo壓ya阻zu性xing分fen壓ya器qi被bei連lian接jie至zhi一yi個ge選xuan通tong接jie地di，從cong而er將jiang其qi平ping均jun吸xi收shou電dian流liu降jiang低di 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製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。在其他控製器中，充電泵即使在柵極被驅動至導通之後也是持續地工作，雖然基本上處於閑置狀態，但對於靜態電流消耗 “貢獻” 顯著。與此不同
，LTC4231 則是在 MOSFET 柵(zha)極(ji)達(da)到(dao)其(qi)峰(feng)值(zhi)電(dian)壓(ya)之(zhi)後(hou)關(guan)斷(duan)充(chong)電(dian)泵(beng)。如(ru)果(guo)柵(zha)極(ji)電(dian)壓(ya)由(you)於(yu)漏(lou)電(dian)的(de)原(yuan)因(yin)下(xia)降(jiang)
，則(ze)充(chong)電(dian)泵(beng)接(jie)通(tong)以(yi)提(ti)供(gong)一(yi)個(ge)電(dian)荷(he)脈(mai)衝(chong)
，從(cong)而(er)刷(shua)新(xin)柵(zha)極(ji)電(dian)壓(ya)。在(zai)圖(tu) 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(dui)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)采(cai)樣(yang)一(yi)次(ci)，以(yi)確(que)定(ding)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)是(shi)否(fou)已(yi)經(jing)低(di)於(yu)欠(qian)壓(ya)門(men)限(xian)或(huo)高(gao)於(yu)過(guo)壓(ya)門(men)限(xian)。該(gai)器(qi)件(jian)還(hai)為(wei)外(wai)部(bu)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)的(de)電(dian)阻(zu)分(fen)壓(ya)器(qi)提(ti)供(gong)一(yi)個(ge)選(xuan)通(tong)接(jie)地(di)連(lian)接(jie) (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，以隔離超範圍電壓，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

 

出於功能性
、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，從而可避免係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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