17年专注锂电池定制

能收集能量并保护电池组的并联充电器系统

来源:钜大LARGE    2019-11-12    点击量:139

澳门葡京百家乐低功耗充电器的设计挑战可调并联基准可被设定以提供恰当的电池浮置电压,但是这类基准缺乏电池充电器的NTC功能。更重要的是,所需的工作电流太高了,以至于用低功率电源或断续性电源给电池充电是不现实的。或者,可以用一个齐纳二极管、一些电阻器、一个NpN晶体管和一些比较器构成一个分立式并联基准,以提供NTC功能。不过,这样的并联基准仍然受到前述限制。此外,分立式并联基准实现起来比较复杂,相比之下,会占用更多宝贵的pCB面积。


典型的电池充电器IC需要恒定DC输入电压,而且不能处理能量突发。不过,诸如室内光伏阵列或压电换能器等断续性能量收集电源提供的是功率突发。要用这类能源给电池充电,一个静态工作电流低于1uA的独特IC是必需的。


锂离子/聚合物化学组成的电池提供便携式电子设备必需的高性能,但是这类电池必须小心使用。例如,如果用比建议浮置电压高100mV的电压充电,锂离子/聚合物电池可能变得不稳定。此外,高压和高温同时存在会对电池寿命产生有害影响,而且在极端情况下,可能导致电池自毁。就币形电池和薄膜电池而言,除了高温和高压同时存在可能产生有害影响,还有容量问题,因为它们的外形尺寸很小。


并联架构的基本要素和好处并联基准是电流馈送型、两端子电路,在达到目标电压之前不吸取电流。并联基准用起来像一个齐纳二极管,而且在电路原理图上常常显示为一个齐纳二极管。不过,大多数并联基准实际上都是基于带隙基准电压的。


一个并联基准仅需要单个外部电阻器来调节输出电压,从而极其容易使用。没有最高输入电压限制,最低输入电压由基准电压值设定,因为需要一些空间以正常运行。


澳门葡京百家乐此外,并联基准在宽电流范围内有良好的稳定性。很多并联基准在有大型或小型容性负载时都是稳定的。


一个简单的解决方案满足前述电池充电器IC设计限制的任何解决方案都必须兼有如下特性:并联稳压器的特性;能用低功率连续或断续性电源充电的电池充电IC的特性。这样的器件还需要保护锂离子/聚合物电池、币形电池、薄膜电池或电池组的安全,并使电池或电池组达到最高性能。


凌力尔特开发了业界第一款并联架构电池充电器LTC4070和LTC4071,以满足这类应用的需求。LTC4070是一款易用、纤巧的并联电池充电器系统IC,适用于锂离子/聚合物电池、币形电池或薄膜电池。该IC的工作电流为450nA,可保护电池,并可用以前不能使用的非常小电流的断续性或连续性充电电源给这些电池充电。增加一个外部pMOS并联器件,LTC4070的充电电流就可以从50mA提高到500mA。当电池温度升高时,内部电池热量查验器降低浮置电压,以保护锂离子/聚合物电池的安全。通过串联配置几个LTC4070,可以给由多节电池组成的电池组充电,并实现各节电池的容量平衡。LTC4070采用扁平(0.75mm)8引线2mmx3mmDFN封装,仅用单个外部电阻器(要求与输入电压串联)就能组成一个完整和超紧凑的充电器解决方案。该器件的功能集使其非常适用于连续性和断续性低功率充电电源应用,包括锂离子/聚合物电池备份、薄膜电池、币形电池、存储器备份、太阳能供电系统、嵌入式汽车和能量收集。


LTC4070提供引脚可选的4.0V、4.1V和4.2V设置,其准确度为1%的电池浮置电压允许用户在电池能量密度和寿命之间进行取舍。独立的低电池电量和高电池电量监察状态输出指示放电或完全充电的电池。再加上一个与负载串联的外部p-FET,该低电池电量状态输出可实现锁断功能,该功能自动断接系统负载和电池,以防止电池深度放电。


除了紧凑的2mmx3mm8引线DFN封装,LTC4070还采用8引线MSOp。这些器件规定在-40C至125C的温度范围内工作。


图1:LTC4070的典型应用电路


澳门葡京百家乐通过防止电池电压超过设定水平,LTC4070提供了一个简单、可靠、高性能的电池保护和充电解决方案。其并联架构在输入电源和电池之间仅需要一个电阻器,就可应对多种电池应用。当输入电源去掉,且电池电压低于高的电池输出门限时,LTC4070仅从电池吸取450nA电流。


当电池电压低于设定的浮置电压时,充电速率由输入电压、电池电压和输入电阻器决定:


ICHG=(VINVBAT)/RIN


当电池电压接近浮置电压时,LTC4070从电池分走一部分电流,从而降低了充电电流。在整个温度范围内变化浮置电压的准确度为±1%时,LTC4070可以分走高达50mA的电流。分流限制了最大充电电流,不过通过增加一个外部p沟道MOSFET,50mA的内部分流能力还可以提高,参见图1。


在内部,LTC4070采用了一个由放大器EA(参见图2)驱动的p沟道MOSFET。VCC和GND之间的电压达到VF(即并联电压)之前,流经该器件的电流为零。VF可以由ADJ和NTC改变,但始终在3.8V到4.2V之间。如果VCC电压低于这个值,那么pFET中的电流为零。如果VCC电压试图上升到超过VF,那么电流将流过该器件,以防止电压上升,这就是分流。


工作电流是给该芯片中其余所有电路供电所需的电流。如果不存在外部电源,那么这就是从电池吸取的电流。


当电池电压低时,更多的电压加在输入电阻器两端,因此进入电池的电流(即充电电流)略大于电池完全充电时的电流。当电池充满电时,将没有电流进入电池,所有的输入电流都将进入分流器。


工作电流很重要,因为它给“实际”输入电源的电流能力设定了一个低限制。显然,一个仅有100nA驱动能力的输入电源不可能给采用LTC4070的电池充电。不过,如果有1uA的驱动能力,就能剩下少量电流去充电。如果能得到10uA的驱动能力,那么该电流90%以上都可用于充电。


图2:LTC4070方框图


NTC电池查验电路保护电池LTC4070用一个通过热量耦合到电池的负温度系数热敏电阻测量电池温度。NTC热敏电阻的温度特性在电阻-温度转换表中规定。在温度高于40°C以后,每上升10°C,内部NTC电路就降低一次浮置电压,以防止电池过热(参见图3以了解详细信息)。


LTC4070采用一个电阻值之比来测量电池温度。LTC4070在NTCBIAS与GND引脚之间布设了一个具4个抽头的内部固定电阻分压器。定期地将这些抽头上的电压与NTC引脚上的电压进行比较,以测量电池温度。为了节省功率,通过以大约每1.5s一次的频度把NTCBIAS引脚偏置至VCC来定期测量电池温度。


图3:LTC4070过热浮置电压查验


其他关键功能LTC4070具有一个与ADJ引脚相连的内置三态解码器,用以提供3种可编程浮置电压:4.0V、4.1V、或4.2V。当ADJ引脚连接至GND、浮置或连接至VCC时,浮置电压将被分别设置为4.0V、4.1V或4.2V。大约每1.5s对ADJ引脚的状态进行一次采样。当ADJ引脚被采样时,LTC4070在其上施加一个相对较低的阻抗电压。这种做法可以防止低水平的电路板漏电流破坏设定的浮置电压。免除电阻器不仅缩减了解决方案的外形尺寸,而且还由于无需使用大阻值的电阻器而降低了静态电流。


另外,该器件还具有状态输出及发送指示信号的能力。高电池电量监视器输出(HBO)是一个高态有效CMOS输出,当电池充满电且电流通过分路离开BAT时,该输出将发出指示信号。低电池电量监视器输出(LBO)也是一个高态有效CMOS输出,当电池放电至3。2V以下时,此输出将发出对应的指示信号。最后,外部驱动器输出引脚DRV可连接至外部p-FET的栅极以增加分路电流,从而满足那些需要50mA以上充电电流(最大500mA)的应用。


LTC4071集成电池组保护功能LTC4071也是一个并联电池充电器系统,而且还是首款具有集成型电池组保护功能(包括低电池电量断接)的器件。相比于LTC4070,LTC4071的不同之处包括:其拥有集成型电池组保护功能(低电池电量断接)、但充电电流能力较低(50mA)、静态电流较高(550nA)、且不具备LBO。对于避免低电量电池由于自放电而受损而言,低电池电量断接是一种必需的关键性功能。虽然LTC4070能够利用LBO和一个外部p-FET来实现低电池电量断接功能,但该IC仍将继续从电池消耗全部IQ(约0.5μA)。即使是如此之小的电池漏电流也会在一夜之间导致低电量电池的损坏。相反,LTC4071集成了一个彻底的低电池电量断接功能,当断接时,从电池吸取的电流接近零(在室温时<1nA,在125°C时<25nA)。为了在LTC4071中提供这一功能,相应于LTC4070的LBO和DRV引脚被去掉了。参见图4以了解详细信息。这使LTC4071的最大分流电流固定为50mA(LTC4070是50mA,但采用一个外部FET,就能达到500mA),而且将该IC的静态电流提高到了550nA(LTC4070的静态电流为450nA)。下表1总结了这两个相互关联的IC之间的差别。


图4:LTC4071的典型应用电路


表1:LTC4070和LTC4071的比较


澳门葡京百家乐结论并联基准有很多应用,而且视其功能的不同而不同,并联基准甚至可以用来给电池充电。不过,这种类型的应用有很多缺点,包括大静态电流和缺乏电池保护功能。现在,有了合适的DC-DC转换器或电池充电器,因此可以对低功率能量收集应用进行查验了。凌力尔特公司开发了LTC4070和LTC4071并联充电器系统,这两款器件适用于锂离子/聚合物电池、币形电池、薄膜电池和电池组,可为具有低功率电源的领先应用提供一种简单、有效的电池充电和电池组保护解决方案。


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