电池电源控制和保护的低静态电流解决方案

>>>>  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 (I_Q) 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