背景

在市場上，能量收集 IC 剛剛進入最初采用階段。能量收集 IC 可將適合的換能器輸出轉換成電流，用于電池充電器設備。盡管能量收集自 2000 年初就已經出現了，但是最近的技術發展才將能量收集推進到可商用的程度。在能量收集應用領域有很多機會，包括：

? 在更換電池不方便、不現實或危險的情況下，取代電池供電系統或給電池供電系統再充電

? 無需導線來供電或傳送數據

? 用智能無線傳感器網絡監視和優化復雜的工業過程、安裝在偏遠現場的設備、以及大樓的加熱和冷卻系統

? 從工業過程、太陽能電池板、內燃機等收集否則會浪費掉的熱量

? 各種不同的消費電子產品的附屬充電器

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

并聯電壓基準簡單易用，已經出現很多年了，有大量產品。不過，這類基準不能有效地給電池充電。要配置一個并聯電壓基準以給電池有效充電是極端復雜的。此外，用一個小電流電源或一個斷續性能量收集電源準確和安全地給鋰離子 / 聚合物、幣形電池或薄膜電池充電，一直是難以實現的。

從電池方面來看，盡管技術已經改進了，但是便攜式電子設備的電池或電池組仍然需要保護和查驗，以保持電池在最佳狀態運行。鋰離子 / 聚合物電池技術已經成熟，是很多電子設備流行的電源選擇，因為這類電池能量密度高、自放電很少、需要很少的維護、電壓范圍很寬并具有其他一些特色。幣形電池能量密度高、放電特性穩定、重量輕且外形尺寸小。薄膜電池是一種新出現的技術，優勢是允許非常多的充電周期次數，并具有物理靈活性，即視最終應用的不同而不同，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，那么所有這些類型的電池都可能受到一些有害影響。

低功耗充電器的設計挑戰

可調并聯基準可被設定以提供恰當的電池浮置電壓，但是這類基準缺乏電池充電器的 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性電源給電池充電是不現實的。或者，可以用一個齊納二極管、一些電阻器、一個 NPN 晶體管和一些比較器構成一個分立式并聯基準，以提供 NTC 功能。不過，這樣的并聯基準仍然受到前述限制。此外，分立式并聯基準實現起來比較復雜，相比之下，會占用更多寶貴的 PCB 面積。

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

鋰離子 / 聚合物化學組成的電池提供便攜式電子設備必需的高性能，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定。此外，高壓和高溫同時存在會對電池壽命產生有害影響，而且在極端情況下，可能導致電池自毀。就幣形電池和薄膜電池而言，除了高溫和高壓同時存在可能產生有害影響，還有容量問題，因為它們的外形尺寸很小。

并聯架構的基本要素和好處

并聯基準是電流饋送型、兩端子電路，在達到目標電壓之前不吸取電流。并聯基準用起來像一個齊納二極管，而且在電路原理圖上常常顯示為一個齊納二極管。不過，大多數并聯基準實際上都是基于帶隙基準電壓的。

一個并聯基準僅需要單個外部電阻器來調節輸出電壓，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電壓值設定，因為需要一些空間以正常運行。

此外，并聯基準在寬電流范圍內有良好的穩定性。很多并聯基準在有大型或小型容性負載時都是穩定的。

一個簡單的解決方案

滿足前述電池充電器 IC 設計限制的任何解決方案都必須兼有如下特性：并聯穩壓器的特性；能用低功率連續或斷續性電源充電的電池充電 IC 的特性。這樣的器件還需要保護鋰離子/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到最高性能。

凌力爾特開發了業界第一款并聯架構電池充電器 LTC4070 和 LTC4071，以滿足這類應用的需求。LTC4070 是一款易用、纖巧的并聯電池充電器系統 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，可保護電池，并可用以前不能使用的非常小電流的斷續性或連續性充電電源給這些電池充電。增加一個外部 PMOS 并聯器件，LTC4070 的充電電流就可以從 50mA 提高到 500mA。當電池溫度升高時，內部電池熱量查驗器降低浮置電壓，以保護鋰離子 / 聚合物電池的安全。通過串聯配置幾個 LTC4070，可以給由多節電池組成的電池組充電，并實現各節電池的容量平衡。LTC4070 采用扁平 （0.75mm） 8 引線 2mm x 3mm DFN 封裝，僅用單個外部電阻器 （要求與輸入電壓串聯） 就能組成一個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性和斷續性低功率充電電源應用，包括鋰離子 / 聚合物電池備份、薄膜電池、幣形電池、存儲器備份、太陽能供電系統、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 設置，其準確度為 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行取舍。獨立的低電池電量和高電池電量監察狀態輸出指示放電或完全充電的電池。再加上一個與負載串聯的外部 P-FET，該低電池電量狀態輸出可實現鎖斷功能，該功能自動斷接系統負載和電池，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。這些器件規定在 -40?C 至 125?C 的溫度范圍內工作。

圖 1：LTC4070 的典型應用電路

通過防止電池電壓超過設定水平，LTC4070 提供了一個簡單、可靠、高性能的電池保護和充電解決方案。其并聯架構在輸入電源和電池之間僅需要一個電阻器，就可應對多種電池應用。當輸入電源去掉，且電池電壓低于高的電池輸出門限時，LTC4070 僅從電池吸取 450nA 電流。

當電池電壓低于設定的浮置電壓時，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

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

在內部，LTC4070 采用了一個由放大器 EA （參見圖 2） 驅動的 P 溝道 MOSFET。VCC 和 GND 之間的電壓達到 VF （即并聯電壓） 之前，流經該器件的電流為零。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。

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

工作電流很重要，因為它給“實際”輸入電源的電流能力設定了一個低限制。顯然，一個僅有 100nA驅動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 的驅動能力，就能剩下少量電流去充電。如果能得到 10uA 的驅動能力，那么該電流 90% 以上都可用于充電。

圖 2：LTC4070 方框圖

NTC 電池查驗電路保護電池

LTC4070 用一個通過熱量耦合到電池的負溫度系數熱敏電阻測量電池溫度。NTC 熱敏電阻的溫度特性在電阻-溫度轉換表中規定。在溫度高于 40°C 以后，每上升 10°C，內部 NTC 電路就降低一次浮置電壓，以防止電池過熱 （參見圖 3 以了解詳細信息）。

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

圖 3： LTC4070 過熱浮置電壓查驗

其他關鍵功能

LTC4070 具有一個與 ADJ 引腳相連的內置三態解碼器，用以提供 3 種可編程浮置電壓：4.0V、4.1V、或 4.2V。當 ADJ 引腳連接至 GND、浮置或連接至 VCC 時，浮置電壓將被分別設置為 4.0V、4.1V 或 4.2V。大約每 1.5s 對 ADJ 引腳的狀態進行一次采樣。當 ADJ 引腳被采樣時，LTC4070 在其上施加一個相對較低的阻抗電壓。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電流。

另外，該器件還具有狀態輸出及發送指示信號的能力。高電池電量監視器輸出 （HBO） 是一個高態有效 CMOS 輸出，當電池充滿電且電流通過分路離開 BAT 時，該輸出將發出指示信號。低電池電量監視器輸出 （LBO） 也是一個高態有效 CMOS 輸出，當電池放電至 3.2V 以下時，此輸出將發出對應的指示信號。最后，外部驅動器輸出引腳 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） 的應用。

LTC4071 集成電池組保護功能

LTC4071 也是一個并聯電池充電器系統，而且還是首款具有集成型電池組保護功能 （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功能 （低電池電量斷接） 、但充電電流能力較低 （50mA）、靜態電流較高 （550nA） 、且不具備 LBO。對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鍵性功能。雖然 LTC4070 能夠利用 LBO 和一個外部 P-FET 來實現低電池電量斷接功能，但該 IC 仍將繼續從電池消耗全部 IQ （約 0.5μA）。即使是如此之小的電池漏電流也會在一夜之間導致低電量電池的損壞。相反，LTC4071 集成了一個徹底的低電池電量斷接功能，當斷接時，從電池吸取的電流接近零 （在室溫時 《1nA，在 125°C 時 《 25nA）。為了在 LTC4071 中提供這一功能，相應于 LTC4070 的 LBO 和 DRV 引腳被去掉了。參見圖 4 以了解詳細信息。這使 LTC4071 的最大分流電流固定為 50mA （LTC4070 是 50mA，但采用一個外部 FET，就能達到 500mA），而且將該 IC 的靜態電流提高到了 550nA （LTC4070 的靜態電流為 450nA）。下表 1 總結了這兩個相互關聯的 IC 之間的差別。

圖 4：LTC4071 的典型應用電路

表 1：LTC4070 和 LTC4071 的比較

結論

并聯基準有很多應用，而且視其功能的不同而不同，并聯基準甚至可以用來給電池充電。不過，這種類型的應用有很多缺點，包括大靜態電流和缺乏電池保護功能。現在，有了合適的 DC-DC 轉換器或電池充電器，因此可以對低功率能量收集應用進行查驗了。凌力爾特公司開發了 LTC4070 和 LTC4071 并聯充電器系統，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先應用提供一種簡單、有效的電池充電和電池組保護解決方案。