- 探究便攜式電源產品中的電池充電器發展趨勢
- 采用通用型配置
- 在輸入功率有限時優先向系統負載供電
- IC安全地管理電池充電算法并監視關鍵的系統參數
- 采用低電壓系統LTC4155LTC4000
背景
便攜式電源應用領域寬泛而多樣。產品涵蓋了從平均功耗僅幾 μW 的無線傳感器節點到采用好幾百瓦時電池組的車載式醫療或數據采集系統等眾多門類。然而，盡管品種繁多，但它們卻呈現出了相對一致的發展趨勢 ━━ 設計人員不斷地要求其產品擁有較高的功率以支持更多的功能，并指望能從任何可用的電源來給電池充電。第一個趨勢要求增加電池容量。不幸的是，用戶常常缺乏耐心，而且增加的電池容量必須要在合理的時間之內完成充電，這就必然導致充電電流的增大。第二個趨勢則要求電池充電解決方案具有巨大的靈活性。我們將對這些問題逐個進行較為詳細的探究。
更高的功率
新式的手持設備 (無論是消費類設備還是工業設備) 都有可能包括一個蜂窩電話調制解調器、一個WiFi模塊、一個藍牙模塊、一個大型的背面照明顯示器等等。許多手持式設備的電源架構都可通過蜂窩電話反映出來。通常，3.7V 的鋰離子電池因其很高的重量 (Wh/kg) 和體積 (Wh/m3) 能量密度而被用作主電源。過去，不少高功率密度設備都采用一個 7.4V 鋰離子電池以降低電流需求，但廉價的 5V 電源管理 IC 的面市使得越來越多的手持式設備轉而采用較低電壓架構。平板電腦很好地體現了這一點 ━━ 標準的平板電腦擁有豐富的功能以及非常大 (用于便攜式設備) 的屏幕。當采用一個 3.7V 電池來供電時，電池的容量必須達到幾千mAh。為了能夠在幾個小時之內完成此類電池的充電，需要幾千mA的充電電流。
然而，消費者同樣希望能夠在沒有可用的大電流墻上適配器時從一個 USB 端口來為其高功率設備充電，這種愿望并未因為上述的高充電電流而被遏制。為了滿足這些要求，在可以使用墻上適配器時，電池充電器必須要能夠以高電流 (>2A) 進行充電，但仍然可以高效地利用 USB 端口所提供的 2.5W 至 4.5W 功率。此外，產品還必需避免敏感的下游低電壓組件遭受有可能造成損壞的過壓，將高電流從一個 USB 輸入、一個墻上適配器或電池無縫地引導至負載，并最大限度地降低功率損耗。與此同時，IC 必須安全地管理電池充電算法并監視關鍵的系統參數。
解決單節電池供電型便攜式產品的電源難題
盡管似乎無法找到單個 IC 來滿足上述要求，但不妨考慮一下 LTC4155，這是一款高功率、I2C 控制、高效率 PowerPathTM管理器、理想二極管控制器和鋰離子電池充電器。該器件設計用于從多種 5V 電源高效地輸送高達 3A 的電流，可為電池充電及系統用途提供 3.5A 以上的電流。即使在這些高電流水平下，LTC4155 的 88% ~ 94% 效率仍然可使熱預算限制條件有所放寬。LTC4155 的開關 PowerPath 拓撲結構可對從兩個輸入電源 (比如：墻上適配器和 USB 端口) 至設備的可再充電鋰離子電池的功率輸送進行無縫管理，并在輸入功率有限時優先向系統負載供電。
LTC4155 的開關穩壓器起一個變壓器的作用，允許 VOUT 上的負載電流超過輸入電源所吸收的電流，與常用的線性模式充電器相比，大幅度地改善了電池充電可用功率的使用效率。如前面的例子所示，LTC4155 能夠以高達 3.5A 的電流進行高效充電，從而縮短充電時間。與普通的開關電池充電器不同，LTC4155 具有“即時接通”操作能力，以確保在插入電源時可立即獲得系統功率，即使所采用的是一個失效的電池或深度放電的電池也不例外。
在對電池進行高速充電時，監視電池的安全性是很重要的。LTC4155 將在電池溫度下降至 0℃ 以下或上升至 40℃ 以上 (由一個外部負溫度系數 [NTC] 熱敏電阻負責測量) 時自動停止充電。除了這種自主特性之外，LTC4155 還提供了一個 7 位擴展標度模數轉換器 (ADC)，用于以大約 1℃ 的分辨率來監視電池的溫度。結合 4 種可用的浮置電壓設定值和 15 種電池充電電流設定值，該 ADC 能夠用于建立基于電池溫度的定制充電算法。
通過一個簡單的二線式 I2C 端口可獲得 NTC ADC 結果，從而據此調整充電電流和電壓設定值。該I2C 端口還通過控制 16 種輸入電流限制設定值 (包括可兼容 USB 2.0 和 3.0 規格的設定值) 提供了與 USB 規范的兼容性。通信總線允許 LTC4155提供額外的狀態指示信息，例如：輸入電源狀態、充電器狀態和故障狀態。USB OTG (On-The-Go) 支持能力可在未采用任何附加組件的情況下提供一個返回 USB 端口的 5V 電源。
LTC4155 的雙輸入、優先級多路復用器可根據用戶定義的優先級 (適配器輸入是默認的優先選擇) 自主選擇最合適的輸入 (墻上適配器或 USB)。過壓保護 (OVP) 電路用于同時保護兩個輸入免遭因意外施加高電壓或反向電壓而造成的損壞。LTC4155 的理想二極管控制器可確保始終能夠向 VOUT 提供足夠的功率，即使輸入功率不足或缺失也不例外。
對于諸如平板電腦或工業條形碼掃描儀等許多便攜式應用而言，管理兩個輸入 (例如：USB和墻上適配器) 就足夠了。不過，便攜式設備的設計人員仍在繼續探尋能夠從任何可用電源來給電池充電的方法。
多種輸入電源
諸多原因導致用戶希望從多種輸入電源來給電池充電。某些應用有可能需要脫離電網并指望由太陽能板來供電。其他的應用則希望擁有能夠從墻上適配器、汽車電池或者高電壓工業或電信電源進行充電的便利。不管是什么原因，這種要求都給電池充電系統施加了一個沉重的負擔。大多數電池充電器均利用一種降壓 (開關或線性) 架構從一個高于最大電池電壓的電壓電源來給電池充電。早先的充電器產品通常被限制于大約 30V 的輸入電壓。此類局限性導致設計人員無法考慮將電信電源作為可行的輸入電源，或者采用具有 42V 開路電壓的太陽能板。在某些場合中，期望輸入電源的電壓范圍既會升至電池電壓以上也會降至電池電壓以下。設計旨在應對上述難題的解決方案通常需要整合高精度的電流檢測放大器、ADC、用于控制充電操作的微處理器、高性能的 DC/DC 轉換器以及理想二極管或多路復用電路。凌力爾特公司推出了一款更加優越的解決方案。
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功能強大且擁有無可比擬之靈活性的充電解決方案
LTC4000 可將任何在外部補償的 DC/DC 電源轉換為一個全功能的電池充電器，并具有 PowerPathTM 控制功能。LTC4000 能夠驅動的常用DC/DC 轉換器拓撲結構包括 (但不限于) 降壓、升壓、降壓-升壓、SEPIC 和反激式。該器件提供了精準的輸入電流和充電電流調節，并可在一個 3V 至 60V 的寬輸入和輸出電壓范圍內運作，因而與多種不同的輸入電壓電源、電池組尺寸和化學組成相兼容。由于這款器件采用了通用型配置，因此其典型應用范圍十分廣泛，包括高功率電池充電器系統、高性能便攜式儀器、電池后備系統、配備電池的工業設備以及筆記本電腦 / 小型筆記本電腦等。
除了可支持多種不同的 DC/DC 拓撲結構之外，LTC4000 的高電壓能力還使其能夠利用幾乎任何輸入電源來形成功能強大的電池充電解決方案。為了確保來自這些輸入的功率能輸送至合適的負載，LTC4000采用了一種智能 PowerPathTM 拓撲結構，當輸入功率有限時，該拓撲結構將優先向系統負載供電。LTC4000 通過控制外部 PFET 來提供低損耗反向電流保護、電池的低損耗充電和放電以及“即時接通型”操作，以確保在插入電源時可立即獲得系統功率，即使所采用的是一個失效的電池或深度放電的電池也不例外。外部檢測電阻器可提供輸入電流和電池充電電流信息，從而使得 LTC4000 能夠與功率范圍從幾毫瓦到幾千瓦的轉換器一起使用。
LTC4000 的全功能電池充電控制器可對多種電池化學組成進行充電，包括鋰離子電池 / 鋰聚合物電池 / 磷酸鐵鋰電池、密封鉛酸電池 (SLA) 和鎳電池等。另外，電池充電器還具有高精度的電流檢測功能，可為高電流應用提供較低的檢測電壓。
結論
新式便攜產品的設計師從事著極富挑戰性的工作 ━━ 特別當其面對電源時。客戶不斷地追逐需要消耗更多功率的功能，因而必需使用更大的電池。與此同時，客戶還希望擁有從幾乎所有的可用電源來給這些電池充電的便利。雖然便攜式電源的上述發展趨勢帶來了設計難題，但 LTC4155 和 LTC4000 則使設計工作大為簡化。在低電壓系統中，LTC4155 可高效提供高達 3.5A 的充電電流，并具有諸多高性能特性。LTC4000 能夠利用幾乎任何輸入來實現一款功能強大的充電解決方案，且擁有無與倫比的性能及靈活性。
圖 1：LTC4155 的典型應用電路
圖 2：LTC4155 的典型效率
圖 3：LTC4000 60V 降壓型轉換器應用采用
10A、48V 至 10.8V 降壓型轉換器充電器給三節磷酸鐵鋰電池 (LiFePO4) 充電
