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能收集能量并保護(hù)電池組的并聯(lián)充電器系統(tǒng)

作者:Steve Knoth 時(shí)間:2011-12-29 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏

  背景

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/127618.htm

  在市場(chǎng)上,能量收集 IC 剛剛進(jìn)入最初采用階段。能量收集 IC 可將適合的換能器輸出轉(zhuǎn)換成電流,用于設(shè)備。盡管能量收集自 2000 年初就已經(jīng)出現(xiàn)了,但是最近的技術(shù)發(fā)展才將能量收集推進(jìn)到可商用的程度。在能量收集應(yīng)用領(lǐng)域有很多機(jī)會(huì),包括:

  • 在更換電池不方便、不現(xiàn)實(shí)或危險(xiǎn)的情況下,取代電池供電系統(tǒng)或給電池供電系統(tǒng)再充電

  • 無需導(dǎo)線來供電或傳送數(shù)據(jù)

  • 用智能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視和優(yōu)化復(fù)雜的工業(yè)過程、安裝在偏遠(yuǎn)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備、以及大樓的加熱和冷卻系統(tǒng)

  • 從工業(yè)過程、太陽(yáng)能電池板、內(nèi)燃機(jī)等收集否則會(huì)浪費(fèi)掉的熱量

  • 各種不同的消費(fèi)電子產(chǎn)品的附屬充電器

  在這些應(yīng)用中,有很多含有固有的斷續(xù)或低功率電源。而且,有很多應(yīng)用將需要給電池充電,以提供一個(gè)備份電源。

  并聯(lián)電壓基準(zhǔn)簡(jiǎn)單易用,已經(jīng)出現(xiàn)很多年了,有大量產(chǎn)品。不過,這類基準(zhǔn)不能有效地給電池充電。要配置一個(gè)并聯(lián)電壓基準(zhǔn)以給電池有效充電是極端復(fù)雜的。此外,用一個(gè)小電流電源或一個(gè)斷續(xù)性能量收集電源準(zhǔn)確和安全地給鋰離子 / 聚合物、幣形電池或薄膜電池充電,一直是難以實(shí)現(xiàn)的。

  從電池方面來看,盡管技術(shù)已經(jīng)改進(jìn)了,但是便攜式電子設(shè)備的電池或電池組仍然需要保護(hù)和查驗(yàn),以保持電池在最佳狀態(tài)運(yùn)行。鋰離子 / 聚合物電池技術(shù)已經(jīng)成熟,是很多電子設(shè)備流行的電源選擇,因?yàn)檫@類電池能量密度高、自放電很少、需要很少的維護(hù)、電壓范圍很寬并具有其他一些特色。幣形電池能量密度高、放電特性穩(wěn)定、重量輕且外形尺寸小。薄膜電池是一種新出現(xiàn)的技術(shù),優(yōu)勢(shì)是允許非常多的充電周期次數(shù),并具有物理靈活性,即視最終應(yīng)用的不同而不同,薄膜電池可以做成幾乎任何形狀。不過,如果不能正確充電和查驗(yàn),那么所有這些類型的電池都可能受到一些有害影響。

  低功耗充電器的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

  可調(diào)并聯(lián)基準(zhǔn)可被設(shè)定以提供恰當(dāng)?shù)碾姵馗≈秒妷?,但是這類基準(zhǔn)缺乏的 NTC 功能。更重要的是,所需的工作電流太高了,以至于用低功率電源或斷續(xù)性電源給電池充電是不現(xiàn)實(shí)的?;蛘撸梢杂靡粋€(gè)齊納二極管、一些電阻器、一個(gè) NPN 晶體管和一些比較器構(gòu)成一個(gè)分立式并聯(lián)基準(zhǔn),以提供 NTC 功能。不過,這樣的并聯(lián)基準(zhǔn)仍然受到前述限制。此外,分立式并聯(lián)基準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜,相比之下,會(huì)占用更多寶貴的 PCB 面積。

  典型的 IC 需要恒定 DC 輸入電壓,而且不能處理能量突發(fā)。不過,諸如室內(nèi)光伏陣列或壓電換能器等斷續(xù)性能量收集電源提供的是功率突發(fā)。要用這類能源給電池充電,一個(gè)靜態(tài)工作電流低于 1uA 的獨(dú)特 IC 是必需的。

  鋰離子 / 聚合物化學(xué)組成的電池提供便攜式電子設(shè)備必需的高性能,但是這類電池必須小心使用。例如,如果用比建議浮置電壓高 100mV 的電壓充電,鋰離子 / 聚合物電池可能變得不穩(wěn)定。此外,高壓和高溫同時(shí)存在會(huì)對(duì)電池壽命產(chǎn)生有害影響,而且在極端情況下,可能導(dǎo)致電池自毀。就幣形電池和薄膜電池而言,除了高溫和高壓同時(shí)存在可能產(chǎn)生有害影響,還有容量問題,因?yàn)樗鼈兊耐庑纬叽绾苄 ?/p>

  并聯(lián)架構(gòu)的基本要素和好處

  并聯(lián)基準(zhǔn)是電流饋送型、兩端子電路,在達(dá)到目標(biāo)電壓之前不吸取電流。并聯(lián)基準(zhǔn)用起來像一個(gè)齊納二極管,而且在電路原理圖上常常顯示為一個(gè)齊納二極管。不過,大多數(shù)并聯(lián)基準(zhǔn)實(shí)際上都是基于帶隙基準(zhǔn)電壓的。

  一個(gè)并聯(lián)基準(zhǔn)僅需要單個(gè)外部電阻器來調(diào)節(jié)輸出電壓,從而極其容易使用。沒有最高輸入電壓限制,最低輸入電壓由基準(zhǔn)電壓值設(shè)定,因?yàn)樾枰恍┛臻g以正常運(yùn)行。

  此外,并聯(lián)基準(zhǔn)在寬電流范圍內(nèi)有良好的穩(wěn)定性。很多并聯(lián)基準(zhǔn)在有大型或小型容性負(fù)載時(shí)都是穩(wěn)定的。

  一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案

  滿足前述電池充電器 IC 設(shè)計(jì)限制的任何解決方案都必須兼有如下特性:并聯(lián)穩(wěn)壓器的特性;能用低功率連續(xù)或斷續(xù)性電源充電的電池充電 IC 的特性。這樣的器件還需要保護(hù)鋰離子/聚合物電池、幣形電池、薄膜電池或電池組的安全,并使電池或電池組達(dá)到最高性能。

  凌力爾特開發(fā)了業(yè)界第一款并聯(lián)架構(gòu)電池充電器 LTC4070 和 LTC4071,以滿足這類應(yīng)用的需求。LTC4070 是一款易用、纖巧的并聯(lián)電池充電器系統(tǒng) IC,適用于鋰離子 / 聚合物電池、幣形電池或薄膜電池。該 IC 的工作電流為 450nA,可保護(hù)電池,并可用以前不能使用的非常小電流的斷續(xù)性或連續(xù)性充電電源給這些電池充電。增加一個(gè)外部 PMOS 并聯(lián)器件,LTC4070 的充電電流就可以從 50mA 提高到 500mA。當(dāng)電池溫度升高時(shí),內(nèi)部電池?zé)崃坎轵?yàn)器降低浮置電壓,以保護(hù)鋰離子 / 聚合物電池的安全。通過串聯(lián)配置幾個(gè) LTC4070,可以給由多節(jié)電池組成的電池組充電,并實(shí)現(xiàn)各節(jié)電池的容量平衡。LTC4070 采用扁平 (0.75mm) 8 引線 2mm x 3mm DFN 封裝,僅用單個(gè)外部電阻器 (要求與輸入電壓串聯(lián)) 就能組成一個(gè)完整和超緊湊的充電器解決方案。該器件的功能集使其非常適用于連續(xù)性和斷續(xù)性低功率充電電源應(yīng)用,包括鋰離子 / 聚合物電池備份、薄膜電池、幣形電池、存儲(chǔ)器備份、太陽(yáng)能供電系統(tǒng)、嵌入式汽車和能量收集。

  LTC4070提供引腳可選的 4.0V、4.1V 和 4.2V 設(shè)置,其準(zhǔn)確度為 1% 的電池浮置電壓允許用戶在電池能量密度和壽命之間進(jìn)行取舍。獨(dú)立的低電池電量和高電池電量監(jiān)察狀態(tài)輸出指示放電或完全充電的電池。再加上一個(gè)與負(fù)載串聯(lián)的外部 P-FET,該低電池電量狀態(tài)輸出可實(shí)現(xiàn)鎖斷功能,該功能自動(dòng)斷接系統(tǒng)負(fù)載和電池,以防止電池深度放電。

  除了緊湊的 2mm x 3mm 8 引線 DFN 封裝,LTC4070 還采用 8 引線 MSOP。這些器件規(guī)定在 -40?C 至 125?C 的溫度范圍內(nèi)工作。

  圖 1:LTC4070 的典型應(yīng)用電路

  通過防止電池電壓超過設(shè)定水平,LTC4070 提供了一個(gè)簡(jiǎn)單、可靠、高性能的電池保護(hù)和充電解決方案。其并聯(lián)架構(gòu)在輸入電源和電池之間僅需要一個(gè)電阻器,就可應(yīng)對(duì)多種電池應(yīng)用。當(dāng)輸入電源去掉,且電池電壓低于高的電池輸出門限時(shí),LTC4070 僅從電池吸取 450nA 電流。

  當(dāng)電池電壓低于設(shè)定的浮置電壓時(shí),充電速率由輸入電壓、電池電壓和輸入電阻器決定:

  ICHG = (VIN − VBAT) / RIN

  當(dāng)電池電壓接近浮置電壓時(shí),LTC4070 從電池分走一部分電流,從而降低了充電電流。在整個(gè)溫度范圍內(nèi)變化浮置電壓的準(zhǔn)確度為 ±1% 時(shí),LTC4070 可以分走高達(dá) 50mA 的電流。分流限制了最大充電電流,不過通過增加一個(gè)外部 P 溝道 MOSFET,50mA 的內(nèi)部分流能力還可以提高,參見圖 1。

  在內(nèi)部,LTC4070 采用了一個(gè)由放大器 EA (參見圖 2) 驅(qū)動(dòng)的 P 溝道 MOSFET。VCC 和 GND 之間的電壓達(dá)到 VF (即并聯(lián)電壓) 之前,流經(jīng)該器件的電流為零。VF 可以由 ADJ 和 NTC 改變,但始終在 3.8V 到 4.2V 之間。如果 VCC 電壓低于這個(gè)值,那么 PFET 中的電流為零。如果 VCC 電壓試圖上升到超過 VF,那么電流將流過該器件,以防止電壓上升,這就是分流。

  工作電流是給該芯片中其余所有電路供電所需的電流。如果不存在外部電源,那么這就是從電池吸取的電流。

  當(dāng)電池電壓低時(shí),更多的電壓加在輸入電阻器兩端,因此進(jìn)入電池的電流 (即充電電流) 略大于電池完全充電時(shí)的電流。當(dāng)電池充滿電時(shí),將沒有電流進(jìn)入電池,所有的輸入電流都將進(jìn)入分流器。

  工作電流很重要,因?yàn)樗o“實(shí)際”輸入電源的電流能力設(shè)定了一個(gè)低限制。顯然,一個(gè)僅有 100nA驅(qū)動(dòng)能力的輸入電源不可能給采用 LTC4070 的電池充電。不過,如果有 1uA 的驅(qū)動(dòng)能力,就能剩下少量電流去充電。如果能得到 10uA 的驅(qū)動(dòng)能力,那么該電流 90% 以上都可用于充電。

  圖 2:LTC4070 方框圖

  PULSED DUTY CYCLE:脈沖占空比

  3-STATE DETECT:3 態(tài)檢測(cè)

  NTC 電池查驗(yàn)電路保護(hù)電池

  LTC4070 用一個(gè)通過熱量耦合到電池的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻測(cè)量電池溫度。NTC 熱敏電阻的溫度特性在電阻-溫度轉(zhuǎn)換表中規(guī)定。在溫度高于 40°C 以后,每上升 10°C,內(nèi)部 NTC 電路就降低一次浮置電壓,以防止電池過熱 (參見圖 3 以了解詳細(xì)信息)。

  LTC4070 采用一個(gè)電阻值之比來測(cè)量電池溫度。LTC4070 在 NTCBIAS 與 GND 引腳之間布設(shè)了一個(gè)具 4 個(gè)抽頭的內(nèi)部固定電阻分壓器。定期地將這些抽頭上的電壓與 NTC 引腳上的電壓進(jìn)行比較,以測(cè)量電池溫度。為了節(jié)省功率,通過以大約每 1.5s 一次的頻度把 NTCBIAS 引腳偏置至 VCC 來定期測(cè)量電池溫度。

  圖 3: LTC4070 過熱浮置電壓查驗(yàn)

  TEMPERATURE:溫度

  其他關(guān)鍵功能

  LTC4070 具有一個(gè)與 ADJ 引腳相連的內(nèi)置三態(tài)解碼器,用以提供 3 種可編程浮置電壓:4.0V、4.1V、或 4.2V。當(dāng) ADJ 引腳連接至 GND、浮置或連接至 VCC 時(shí),浮置電壓將被分別設(shè)置為 4.0V、4.1V 或 4.2V。大約每 1.5s 對(duì) ADJ 引腳的狀態(tài)進(jìn)行一次采樣。當(dāng) ADJ 引腳被采樣時(shí),LTC4070 在其上施加一個(gè)相對(duì)較低的阻抗電壓。這種做法可以防止低水平的電路板漏電流破壞設(shè)定的浮置電壓。免除電阻器不僅縮減了解決方案的外形尺寸,而且還由于無需使用大阻值的電阻器而降低了靜態(tài)電流。

  另外,該器件還具有狀態(tài)輸出及發(fā)送指示信號(hào)的能力。高電池電量監(jiān)視器輸出 (HBO) 是一個(gè)高態(tài)有效 CMOS 輸出,當(dāng)電池充滿電且電流通過分路離開 BAT 時(shí),該輸出將發(fā)出指示信號(hào)。低電池電量監(jiān)視器輸出 (LBO) 也是一個(gè)高態(tài)有效 CMOS 輸出,當(dāng)電池放電至 3.2V 以下時(shí),此輸出將發(fā)出對(duì)應(yīng)的指示信號(hào)。最后,外部驅(qū)動(dòng)器輸出引腳 DRV 可連接至外部 P-FET 的柵極以增加分路電流,從而滿足那些需要 50mA 以上充電電流 (最大 500mA) 的應(yīng)用。

  LTC4071 集成電池組保護(hù)功能

  LTC4071 也是一個(gè)并聯(lián)電池充電器系統(tǒng),而且還是首款具有集成型電池組保護(hù)功能 (包括低電池電量斷接) 的器件。相比于 LTC4070,LTC4071 的不同之處包括:其擁有集成型電池組保護(hù)功能 (低電池電量斷接) 、但充電電流能力較低 (50mA)、靜態(tài)電流較高 (550nA) 、且不具備 LBO。對(duì)于避免低電量電池由于自放電而受損而言,低電池電量斷接是一種必需的關(guān)鍵性功能。雖然 LTC4070 能夠利用 LBO 和一個(gè)外部 P-FET 來實(shí)現(xiàn)低電池電量斷接功能,但該 IC 仍將繼續(xù)從電池消耗全部 IQ (約 0.5μA)。即使是如此之小的電池漏電流也會(huì)在一夜之間導(dǎo)致低電量電池的損壞。相反,LTC4071 集成了一個(gè)徹底的低電池電量斷接功能,當(dāng)斷接時(shí),從電池吸取的電流接近零 (在室溫時(shí) <1nA,在 125°C 時(shí) < 25nA)。為了在 LTC4071 中提供這一功能,相應(yīng)于 LTC4070 的 LBO 和 DRV 引腳被去掉了。參見圖 4 以了解詳細(xì)信息。這使 LTC4071 的最大分流電流固定為 50mA (LTC4070 是 50mA,但采用一個(gè)外部 FET,就能達(dá)到 500mA),而且將該 IC 的靜態(tài)電流提高到了 550nA (LTC4070 的靜態(tài)電流為 450nA)。下表 1 總結(jié)了這兩個(gè)相互關(guān)聯(lián)的 IC 之間的差別。

  圖 4:LTC4071 的典型應(yīng)用電路

  TO SYSTEM LOAD:至系統(tǒng)負(fù)載

  Li-Ion:鋰離子電池

  表 1:LTC4070 和 LTC4071 的比較

  結(jié)論

  并聯(lián)基準(zhǔn)有很多應(yīng)用,而且視其功能的不同而不同,并聯(lián)基準(zhǔn)甚至可以用來給電池充電。不過,這種類型的應(yīng)用有很多缺點(diǎn),包括大靜態(tài)電流和缺乏電池保護(hù)功能?,F(xiàn)在,有了合適的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器或電池充電器,因此可以對(duì)低功率能量收集應(yīng)用進(jìn)行查驗(yàn)了。凌力爾特公司開發(fā)了 LTC4070 和 LTC4071 并聯(lián)充電器系統(tǒng),這兩款器件適用于鋰離子 / 聚合物電池、幣形電池、薄膜電池和電池組,可為具有低功率電源的領(lǐng)先應(yīng)用提供一種簡(jiǎn)單、有效的電池充電和電池組保護(hù)解決方案。



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