并联充电器系统可从以往不可用的低电流电源收集功率

凌力尔特公司
电源产品部
高级产品市场工程师
Steve Knoth

背景

并联电压基准简单易用，它们已经出现很多年了，而且出现在大量的产品中。不过，它们不能有效地给电池充电。为了完成这任务而配置一个并联电压基准是极其复杂的。另外，用小电流电源或间歇收集能量型电源准确和安全地给锂离子/聚合物电池、币形电池或薄膜电池充电的能力尚不可实现。

在市场上处于萌芽期的能量收集 IC 可以将换能器的信号转换成适合于电池充电器器件的输入。尽管能量收集自 2000 年早期就出现了，但是最近的技术发展才使能量收集达到了商业上可行的程度， 2010年，能量收集技术的"增长"阶段即将来临。能量收集应用领域的机会非常多：

• 在电池更换不方便、不现实或危险的情况下，取代电池供电系统或给电池供电系统再充电；
• 无需导线携带电能或发送数据；
• 智能无线传感器网络监视和优化复杂的工业过程、远程现场安装以及大楼 HVAC；
• 从工业过程、太阳能电池板、内燃机收集不然会浪费的热量；
• 各种不同消费电子产品的附属充电器。

这些应用中很多都有内在的间歇性或低功率电源。

从电池方面来看，尽管技术已经改进，但是便携式电子设备的电池仍然需要保护和查验，以保持电池的最佳运行。在给很多电子设备供电方面，锂离子/聚合物电池是一种成熟的技术和流行的选择，因为它们具有高能量密度、低的自放电量、宽电压范围和需要很少的维护以及其它一些优点。币形电池外形尺寸小，提供高能量密度、稳定的放电特性，重量轻。薄膜电池是一种正在出现的技术，优势包括充电周期数很大和物理灵活性，即视最终应用的不同而不同，薄膜电池几乎可以做成任何形状，以适合应用需求。不过，如果不能正确地充电和调理，那么可能对这些电池仍然存在一些不利影响。

低功耗充电器的设计挑战

一个可调的并联基准可以设定为提供合适的电池浮置电压，但是它缺少电池充电器的 NTC 功能。更重要的是，所需要的工作电流太大，以至于用低功率电源或间歇性电源进行电池充电是不可行的。或者，可以用一个齐纳二极管、电阻器、一个 NPN 晶体管和比较器做成一个分立并联基准，以实现 NTC 功能。不过，这样仍然会受到与上述同样的限制。另外，它实施起来大而笨重，相比之下会占用大量宝贵的 PCB 面积。

典型电池充电器 IC 需要一个恒定 DC 输入电压，而且不能处理突发能量。然而，诸如室内光生伏打阵列或压电换能器等间歇性能量收集源提供的却是突发能量。为了用这类能源给电池充电，一种静态/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所需的高性能功能，但是必须小心对待。例如，如果充电至超出其建议的浮置电压 100mV，那么锂离子/聚合物电池就可能变得不稳定。此外，高压和高温同时存在对电池寿命也会产生不利影响，在极端情况下，可能导致电池自毁。除了高温和高压同时存在可能产生的负面影响，币形电池和薄膜电池由于小的外形尺寸，还有容量问题。

并联架构的基本原理和优势

并联基准是电流馈送型两端子器件，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，在电路原理图中也常常被显示成一个齐纳二极管。然而，大多数并联基准实际上是基于带隙基准电压的。

并联基准仅需要单个外部电阻器来调节输出电压，从而极易使用。没有最高输入电压限制，最低输入电压由基准电压值设定，因为需要一定的电压空间以正确运行。

此外，并联基准在宽电流范围内具有良好的稳定性。很多并联基准在大或小容性负载时也是稳定的。

一个简单的解决方案

满足上述电池充电器 IC 设计限制的任何解决方案都必须兼有并联稳压器的特性，能够用低功率连续或间歇性电源充电的电池充电 IC 的特性。这样一个解决方案还需要保护锂离子/聚合物电池、币形电池或薄膜电池并充分发挥这些电池的最高性能。

凌力尔特公司已经开发出业界第一个并联架构电池充电器。LTC4070 是一种易于使用的纤巧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 具有 450nA 的工作电流，保护电池并用以前不能使用的非常低电流间歇或连续性充电电源给电池充电。增加一个外部 PMOS 并联器件以后，LTC4070 的充电电流可以从 50mA 提高到高达 500mA。内部电池热量调理器降低浮置电压，以在电池温度逐渐升高时保护锂离子/聚合物电池。通过以串联方式配置几个 LTC4070，可以给多节电池组充电并对其进行平