在电池供电的系统中开关和保护电子产品

引言

电池供电的电子产品给电源系统工程师造成了多种挑战。从理论层面上看，电池相关电路 (在 DC/DC 转换之前) 可以分成 4 种功能：电源选择、充电 (就充电电池而言)、监视和保护。在电池供电的系统中一般提供多种电源，例如交流适配器、USB 端口和内部电池，电源选择功能确定这些电源的优先顺序，而充电电路需要针对特定电池化学组成进行定制。监视电路报告电池电压、电量和温度状态，监视电路与电池保护电路一起使用，还可确保更高的可靠性。在本文中，我们将探讨一种新的微功率电池保护器件的功能和优势，该器件非常适合从汽车、医疗到消费类应用的各种电池应用。

用电池电源进行设计时需要考虑的问题

不仅是着火和爆炸，即使简单的电池相关问题也能损害一款产品的声誉。因此，必须注意电池相关安全功能的设计。电池有其充电和放电电流额定值，超过这些额定值电池会发热，这不仅会缩短电池寿命，在最坏情况下还会使电池爆炸。可以用保险丝实现过流保护，但是保险丝太笨重，反应慢，其跳变门限有很大的容限 (图 1)。为了防止不可修复的损坏，充电电池进入深度放电之前需要断接。就一节 3.7V 锂离子电池而言，这个电压值约为 2.5V。需要一个欠压闭锁 (UVLO) 电路以断开电池与负载的连接。可以用一个比较器、基准电压和一个固态开关来实现这种电路。P 沟道 MOSFET 高压侧开关不需要充电泵来接通，从而减少了电池电流泄漏，但是 P 沟道 MOSFET 选择有限，在相同接通电阻情况下，价格比 N 沟道 MOSFET 高。反过来，如果接地线可被浮置，则可以采用一个更高效的 N 沟道 MOSFET 低压侧开关。欠压门限必需具有充足的迟滞;否则，由于电池电压在负载关断之后恢复，因此 UVLO 电路将发生“断-通-断”振荡。

图 1：一种可能的分立式电池和负载保护电路

电池保护之后，我们需要考虑负载保护。瞬态电压抑制器在振铃、尖峰、浪涌等短暂情况下实现过压保护，但是在持续或 DC 过压 (OV) 时就会烧毁。因此，需要另一个比较器针对输入过压保护负载。如果电池错误地以相反极性插入，那么负载如果不能承受负电压，就有可能损坏。可以用一个串联二极管来隔离负电压。但是，这个二极管消耗功率，在正向运行时产生很大的压降。

正如我们看到的那样，需要大量分立式组件和电路以为电池供电的系统实现全面保护。同时，这些电路的静态电流消耗需要保持很低，以便电池的运行时间和备用时间不会缩短。例如，汽车电子模块的备用电流预算低于 100µA，以在汽车停泊几周时防止电池放电。就消耗大电流的电路而言，可以使用继电器断开电路和电池。继电器还可用来接通和断开负载，但是继电器太笨重，无法减小外形尺寸。因此，需要一种更加高效、更加简单的保护方法。

用于电池电源控制和保护的低静态电流解决方案

LTC4231 是一款超低静态电流 (IQ) 热插拔控制器，允许在 2.7V 至 36V 系统 (图 2) 中插入和抽取电路板或电池。2.7V 至 36V 运行范围适合多种电池化学组成，包括铅酸、锂离子和叠置式镍氢金属、镍镉或碱性电池。

图 2：LTC4231 热插拔控制器和电子电路断路器仅消耗 4µA 静态电流，非常适合电池供电的系统

LTC4231 控制外部低损耗 N 沟道 MOSFET，以缓慢地给电路板电容器加电，从而避免瞬态放电、连接器损坏和系统干扰。软启动和浪涌电流值很容易用连至 MOSFET 栅极的电阻器-电容器调节。在正常运行时 (通路 MOSFET 完全接通)，通过一个定时的断路器和快速电流限制提供双重过流保护。当发生轻微过载时，一个故障定时器被激活;当该定时器期满时，MOSFET 开路以与负载断接。在重度过载或输出短路的情况下，故障定时器被激活，而且负载电流被限制在比电路断路器门限高 60% 的水平。根据选项的不同，LTC4231 在电流故障之后保持关断状态或在经历一个 500ms 冷却周期之后自动地接通。

欠压保护断开低压电池以防止深度放电，同时负载去除后，可调迟滞避免电池恢复导致的震荡。输入过压时断接负载，从而防止损坏。LTC4231 不会损坏，并通过控制背对背 N 沟道 MOSFET (图 3)，针对高达 -40V 的反向电池保护下游电路。如果不需要反向输入保护，那么单个 MOSFET 就够了。

图 3：当插入反向电池时，例如，在输入 (IN) 端接入 -24V，LTC4231 通过隔离负电压，防止传播到输出 (OUT) 来保护负载。需要背对背 MOSFET (如图 2 所示) 来实现反向输入保护。

即使提供所有这些功能，器件的静态电流在正常运行时也仅为 4µA，将 LTC4231 置于停机模式时，可将其 IQ 降至 0.3μA，并关断外部 N 沟道功率 MOSFET 以断接下游电路，从而延长电池备用时间。为了确保低电流运行，欠压和过压阻性分压器被连接至一个选通接地，从而将其平均吸收电流降低 50 倍。

降低静态电流的方法

LTC4231 运用了两种创新方法以降低其在正常操作期间的电流消耗，同时提供与其他大消耗电流控制器毫无差别的保护功能。为了接通外部 N 沟道 MOSFET 和降低其导通电阻，LTC4231 采用了一个内部充电泵，以产生一个至少比输入电压高 10V 的栅极电压。在其他控制器中，充电泵即使在栅极被驱动至导通之后也是持续地工作，虽然基本上处于闲置状态，但对于静态电流消耗“贡献”显著。与此不同，LTC4231 则是在 MOSFET 栅极达到其峰值电压之后关断充电泵。如果栅极电压由于漏电的原因下降，则充电泵接通以提供一个电荷脉冲，从而刷新栅极电压。在图 4 中以 0.1µA 和 1µA 的栅极漏电流为例对此进行了说明。该方法把充电泵电流消耗减小了 50 至 100 倍，这是因为充电泵接通时的电流消耗为 200µA，但在睡眠模式中则降至 2µA。

图 4a：为了降低静态电流，LTC4231 周期性地启动充电泵，以按需刷新 MOSFET 栅极电压。

图 4b：针对两个不同的栅极泄漏例子 (ΔVGATE 是栅极至源极电压，ICC 是 LTC4231 的电流消耗) 显示 MOSFET 栅极电压刷新率。

CHARGE PUMP REFRESH TIMER：充电泵刷新定时器

ΔVGATE LOW COMPARATOR：ΔVGATE 低压比较器

CHARGE PUMP：充电泵

GATE：栅极

SOURCE：源极

降低 LTC4231 静态电流的第二种方法是，每隔 10ms 对输入电压采样一次，以确定输入电压是否已经低于欠压门限或高于过压门限。该器件还为外部输入电压的电阻分压器提供一个选通接地连接 (GNDSW) (图 5)。偶尔采样使电阻分压器的电流消耗降低 50 倍，这是采样周期 (10ms) 除以采样窗口 (200µs) 得出的。监视 UVL、UVH 和 OV 引脚的比较器在采样窗口中接通，从而使平均电流消耗也降低 50 倍。10ms 采样周期对电池而言能够很好地发挥作用，因为随时间流逝其电压变换很缓慢。不过，如果在启动时发生欠压或过压情况，LTC4231 就保持 MOSFET 断开，以隔离超范围电压，防止其传播到负载。

图 5：每隔 10ms 在 200µs 窗口 (2% 占空比) 内监视输入电压，以将 UV/OV 监视电流消耗降低 50 倍。在采样窗口中，GNDSW 通过一个内部 80Ω 开关连接到 GND。

结论

出于功能性、便携性和方便性的原因，许多新兴电子应用 (如无线传感器、健身追踪器、增强现实眼镜、无人机、机器人等) 均采用电池供电。锂离子电池等高能量电池已经把电池安全性的问题带入了公众视野。LTC4231 为特别是重视节能之应用中的热插拔和电池保护提供了一款简单、紧凑和坚固的微功率解决方案，从而可避免系统遭受电池深度放电、输出过载或短路、过压和电池反接的损坏。