便攜式電源產(chǎn)品中的電池充電器發(fā)展趨勢(shì)━━ 高功率和寬范圍輸入

背景
    便攜式電源應(yīng)用領(lǐng)域?qū)挿憾鄻印．a(chǎn)品涵蓋了從平均功耗僅幾 μW 的無線傳感器節(jié)點(diǎn)到采用好幾百瓦時(shí)電池組的車載式醫(yī)療或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等眾多門類。然而，盡管品種繁多，但它們卻呈現(xiàn)出了相對(duì)一致的發(fā)展趨勢(shì) ━━ 設(shè)計(jì)人員不斷地要求其產(chǎn)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(gè)趨勢(shì)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(shí)間之內(nèi)完成充電，這就必然導(dǎo)致充電電流的增大。第二個(gè)趨勢(shì)則要求電池充電解決方案具有巨大的靈活性。我們將對(duì)這些問題逐個(gè)進(jìn)行較為詳細(xì)的探究。

更高的功率
    新式的手持設(shè)備 (無論是消費(fèi)類設(shè)備還是工業(yè)設(shè)備) 都有可能包括一個(gè)蜂窩電話調(diào)制解調(diào)器、一個(gè)WiFi模塊、一個(gè)藍(lán)牙模塊、一個(gè)大型的背面照明顯示器等等。許多手持式設(shè)備的電源架構(gòu)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(shè)備都采用一個(gè) 7.4V 鋰離子電池以降低電流需求，但廉價(jià)的 5V 電源管理 IC 的面市使得越來越多的手持式設(shè)備轉(zhuǎn)而采用較低電壓架構(gòu)。平板電腦很好地體現(xiàn)了這一點(diǎn) ━━ 標(biāo)準(zhǔn)的平板電腦擁有豐富的功能以及非常大 (用于便攜式設(shè)備) 的屏幕。當(dāng)采用一個(gè) 3.7V 電池來供電時(shí)，電池的容量必須達(dá)到幾千mAh。為了能夠在幾個(gè)小時(shí)之內(nèi)完成此類電池的充電，需要幾千mA的充電電流。

然而，消費(fèi)者同樣希望能夠在沒有可用的大電流墻上適配器時(shí)從一個(gè) USB 端口來為其高功率設(shè)備充電，這種愿望并未因?yàn)樯鲜龅母叱潆婋娏鞫欢糁?。為了滿足這些要求，在可以使用墻上適配器時(shí)，電池充電器必須要能夠以高電流 (>2A) 進(jìn)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(chǎn)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(gè) USB 輸入、一個(gè)墻上適配器或電池?zé)o縫地引導(dǎo)至負(fù)載，并最大限度地降低功率損耗。與此同時(shí)，IC 必須安全地管理電池充電算法并監(jiān)視關(guān)鍵的系統(tǒng)參數(shù)。

解決單節(jié)電池供電型便攜式產(chǎn)品的電源難題
    盡管似乎無法找到單個(gè) 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(shè)計(jì)用于從多種 5V 電源高效地輸送高達(dá) 3A 的電流，可為電池充電及系統(tǒng)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(yù)算限制條件有所放寬。LTC4155 的開關(guān) PowerPath 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可對(duì)從兩個(gè)輸入電源 (比如：墻上適配器和 USB 端口) 至設(shè)備的可再充電鋰離子電池的功率輸送進(jìn)行無縫管理，并在輸入功率有限時(shí)優(yōu)先向系統(tǒng)負(fù)載供電。

LTC4155 的開關(guān)穩(wěn)壓器起一個(gè)變壓器的作用，允許 VOUT 上的負(fù)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(dá) 3.5A 的電流進(jìn)行高效充電，從而縮短充電時(shí)間。與普通的開關(guān)電池充電器不同，LTC4155 具有“即時(shí)接通”操作能力，以確保在插入電源時(shí)可立即獲得系統(tǒng)功率，即使所采用的是一個(gè)失效的電池或深度放電的電池也不例外。

在對(duì)電池進(jìn)行高速充電時(shí)，監(jiān)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(gè)外部負(fù)溫度系數(shù) [NTC] 熱敏電阻負(fù)責(zé)測(cè)量) 時(shí)自動(dòng)停止充電。除了這種自主特性之外，LTC4155 還提供了一個(gè) 7 位擴(kuò)展標(biāo)度模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，用于以大約 1℃ 的分辨率來監(jiān)視電池的溫度。結(jié)合 4 種可用的浮置電壓設(shè)定值和 15 種電池充電電流設(shè)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(gè)簡(jiǎn)單的二線式 I2C 端口可獲得 NTC ADC 結(jié)果，從而據(jù)此調(diào)整充電電流和電壓設(shè)定值。該I2C 端口還通過控制 16 種輸入電流限制設(shè)定值 (包括可兼容 USB 2.0 和 3.0 規(guī)格的設(shè)定值) 提供了與 USB 規(guī)范的兼容性。通信總線允許 LTC4155提供額外的狀態(tài)指示信息，例如：輸入電源狀態(tài)、充電器狀態(tài)和故障狀態(tài)。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(gè)返回 USB 端口的 5V 電源。

LTC4155 的雙輸入、優(yōu)先級(jí)多路復(fù)用器可根據(jù)用戶定義的優(yōu)先級(jí) (適配器輸入是默認(rèn)的優(yōu)先選擇) 自主選擇最合適的輸入 (墻上適配器或 USB)。過壓保護(hù) (OVP) 電路用于同時(shí)保護(hù)兩個(gè)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(duì)于諸如平板電腦或工業(yè)條形碼掃描儀等許多便攜式應(yīng)用而言，管理兩個(gè)輸入 (例如：USB和墻上適配器) 就足夠了。不過，便攜式設(shè)備的設(shè)計(jì)人員仍在繼續(xù)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?qū)е掠脩粝Ｍ麖亩喾N輸入電源來給電池充電。某些應(yīng)用有可能需要脫離電網(wǎng)并指望由太陽能板來供電。其他的應(yīng)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(yè)或電信電源進(jìn)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(tǒng)施加了一個(gè)沉重的負(fù)擔(dān)。大多數(shù)電池充電器均利用一種降壓 (開關(guān)或線性) 架構(gòu)從一個(gè)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(chǎn)品通常被限制于大約 30V 的輸入電壓。此類局限性導(dǎo)致設(shè)計(jì)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(chǎng)合中，期望輸入電源的電壓范圍既會(huì)升至電池電壓以上也會(huì)降至電池電壓以下。設(shè)計(jì)旨在應(yīng)對(duì)上述難題的解決方案通常需要整合高精度的電流檢測(cè)放大器、ADC、用于控制充電操作的微處理器、高性能的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器以及理想二極管或多路復(fù)用電路。凌力爾特公司推出了一款更加優(yōu)越的解決方案。

功能強(qiáng)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(bǔ)償?shù)?DC/DC 電源轉(zhuǎn)換為一個(gè)全功能的電池充電器，并具有 PowerPathTM 控制功能。LTC4000 能夠驅(qū)動(dòng)的常用DC/DC 轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(zhǔn)的輸入電流和充電電流調(diào)節(jié)，并可在一個(gè) 3V 至 60V 的寬輸入和輸出電壓范圍內(nèi)運(yùn)作，因而與多種不同的輸入電壓電源、電池組尺寸和化學(xué)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(yīng)用范圍十分廣泛，包括高功率電池充電器系統(tǒng)、高性能便攜式儀器、電池后備系統(tǒng)、配備電池的工業(yè)設(shè)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(qiáng)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(fù)載，LTC4000采用了一種智能 PowerPathTM 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，當(dāng)輸入功率有限時(shí)，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將優(yōu)先向系統(tǒng)負(fù)載供電。LTC4000 通過控制外部 PFET 來提供低損耗反向電流保護(hù)、電池的低損耗充電和放電以及“即時(shí)接通型”操作，以確保在插入電源時(shí)可立即獲得系統(tǒng)功率，即使所采用的是一個(gè)失效的電池或深度放電的電池也不例外。外部檢測(cè)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(zhuǎn)換器一起使用。

LTC4000 的全功能電池充電控制器可對(duì)多種電池化學(xué)組成進(jìn)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(cè)功能，可為高電流應(yīng)用提供較低的檢測(cè)電壓。

結(jié)論
    新式便攜產(chǎn)品的設(shè)計(jì)師從事著極富挑戰(zhàn)性的工作 ━━ 特別當(dāng)其面對(duì)電源時(shí)?？蛻舨粩嗟刈分鹦枰母喙β实墓δ?，因而必需使用更大的電池。與此同時(shí)，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(fā)展趨勢(shì)帶來了設(shè)計(jì)難題，但 LTC4155 和 LTC4000 則使設(shè)計(jì)工作大為簡(jiǎn)化。在低電壓系統(tǒng)中，LTC4155 可高效提供高達(dá) 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(shí)現(xiàn)一款功能強(qiáng)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(yīng)用電路

 
圖 2：LTC4155 的典型效率
 

圖 3：LTC4000 60V 降壓型轉(zhuǎn)換器應(yīng)用采用
10A、48V 至 10.8V 降壓型轉(zhuǎn)換器充電器給三節(jié)磷酸鐵鋰電池 (LiFePO4) 充電