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)。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，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。

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。

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發(fā)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(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。可以用一個(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)就會燒毀。因此，需要另一個(gè)比較器針對輸入過壓保護(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)間不會縮短。例如，汽車電子模塊的備用電流預(yù)算低于100A，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，無法減小外形尺寸。因此，需要一種更加高效、更加簡單的保護(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4A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不會損壞，并通過控制背對背N溝道MOSFET(圖3)，針對高達(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4A，將LTC4231置于停機(jī)模式時(shí)，可將其IQ降至0.3A，并關(guān)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(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0.1A和1A的柵極漏電流為例對此進(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200A，但在睡眠模式中則降至2A。

圖4a：為了降低靜態(tài)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(gè)不同的柵極泄漏例子(DeltaVGATE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(tài)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(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(200s)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200s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80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(如無線傳感器、健身追蹤器、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡、無人機(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。