背景
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(jīng)出現了，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。在能量收集應用領(lǐng)域有很多機會(huì )，包括：
• 在更換電池不方便、不現實(shí)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(wú)需導線(xiàn)來(lái)供電或傳送數據
• 用智能無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )監視和優(yōu)化復雜的工業(yè)過(guò)程、安裝在偏遠現場(chǎng)的設備、以及大樓的加熱和冷卻系統
• 從工業(yè)過(guò)程、太陽(yáng)能電池板、內燃機等收集否則會(huì )浪費掉的熱量
• 各種不同的消費電子產(chǎn)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(gè)備份電源。
并聯(lián)電壓基準簡(jiǎn)單易用，已經(jīng)出現很多年了，有大量產(chǎn)品。不過(guò)，這類(lèi)基準不能有效地給電池充電。要配置一個(gè)并聯(lián)電壓基準以給電池有效充電是極端復雜的。此外，用一個(gè)小電流電源或一個(gè)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(shí)現的。
從電池方面來(lái)看，盡管技術(shù)已經(jīng)改進(jìn)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(tài)運行。鋰離子 / 聚合物電池技術(shù)已經(jīng)成熟，是很多電子設備流行的電源選擇，因為這類(lèi)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(shù)，優(yōu)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(guò)，如果不能正確充電和查驗，那么所有這些類(lèi)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(lián)基準可被設定以提供恰當的電池浮置電壓，但是這類(lèi)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(shí)的�；蛘�，可以用一個(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成一個(gè)分立式并聯(lián)基準，以提供 NTC 功能。不過(guò)，這樣的并聯(lián)基準仍然受到前述限制。此外，分立式并聯(lián)基準實(shí)現起來(lái)比較復雜，相比之下，會(huì )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(fā)。不過(guò)，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(fā)。要用這類(lèi)能源給電池充電，一個(gè)靜態(tài)工作電流低于 1uA 的獨特 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備必需的高性能，但是這類(lèi)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(shí)存在會(huì )對電池壽命產(chǎn)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(shí)存在可能產(chǎn)生有害影響，還有容量問(wèn)題，因為它們的外形尺寸很小。

并聯(lián)架構的基本要素和好處
并聯(lián)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(lián)基準用起來(lái)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(guò)，大多數并聯(lián)基準實(shí)際上都是基于帶隙基準電壓的。
一個(gè)并聯(lián)基準僅需要單個(gè)外部電阻器來(lái)調節輸出電壓，從而極其容易使用。沒(méi)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(lián)基準在寬電流范圍內有良好的穩定性。很多并聯(lián)基準在有大型或小型容性負載時(shí)都是穩定的。

一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案
滿(mǎn)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(lián)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(kāi)發(fā)了業(yè)界第一款并聯(lián)架構電池充電器 LTC4070 和 LTC4071，以滿(mǎn)足這類(lèi)應用的需求。LTC4070 是一款易用、纖巧的并聯(lián)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(gè)外部 PMOS 并聯(lián)器件，LTC4070 的充電電流就可以從 50mA 提高到 500mA。當電池溫度升高時(shí)，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(guò)串聯(lián)配置幾個(gè) LTC4070，可以給由多節電池組成的電池組充電，并實(shí)現各節電池的容量平衡。LTC4070 采用扁平 (0.75mm) 8 引線(xiàn) 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(yáng)能供電系統、嵌入式汽車(chē)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(hù)在電池能量密度和壽命之間進(jìn)行取舍。獨立的低電池電量和高電池電量監察狀態(tài)輸出指示放電或完全充電的電池。再加上一個(gè)與負載串聯(lián)的外部 P-FET，該低電池電量狀態(tài)輸出可實(shí)現鎖斷功能，該功能自動(dòng)斷接系統負載和電池，以防止電池深度放電。
C°C 至 125°除了緊湊的 2mm x 3mm 8 引線(xiàn) DFN 封裝，LTC4070 還采用 8 引線(xiàn) MSOP。這些器件規定在 -40 的溫度范圍內工作。

圖 1：LTC4070 的典型應用電路
通過(guò)防止電池電壓超過(guò)設定水平，LTC4070 提供了一個(gè)簡(jiǎn)單、可靠、高性能的電池保護和充電解決方案。其并聯(lián)架構在輸入電源和電池之間僅需要一個(gè)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(mén)限時(shí)，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(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)溫度范圍內變化浮置電壓的準確度為 ±1% 時(shí)，LTC4070 可以分走高達 50mA 的電流。分流限制了最大充電電流，不過(guò)通過(guò)增加一個(gè)外部 P 溝道 MOSFET，50mA 的內部分流能力還可以提高，參見(jiàn)圖 1。
在內部，LTC4070 采用了一個(gè)由放大器 EA (參見(jiàn)圖 2) 驅動(dòng)的 P 溝道 MOSFET。VCC 和 GND 之間的電壓達到 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(guò) VF，那么電流將流過(guò)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(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。當電池充滿(mǎn)電時(shí)，將沒(méi)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，因為它給“實(shí)際”輸入電源的電流能力設定了一個(gè)低限制。顯然，一個(gè)僅有 100nA驅動(dòng)能力的輸入電源不可能給采用 LTC4070 的電池充電。不過(guò)，如果有 1uA 的驅動(dòng)能力，就能剩下少量電流去充電。如果能得到 10uA 的驅動(dòng)能力，那么該電流 90% 以上都可用于充電。


圖 2：LTC4070 方框圖