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)點到采用好幾百瓦時電池組的車載式醫(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)出了相對一致的發(fā)展趨勢━━設(shè)計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。第一個趨勢要求新增電池容量。不幸的是，用戶常常缺乏耐心，而且新增的電池容量必須要在合理的時間之內(nèi)完成充電，這就必然導(dǎo)致充電電流的增大。第二個趨勢則要求電池充電解決方法具有巨大的靈活性。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(shè)備(無論是消費類設(shè)備還是工業(yè)設(shè)備)都有可能包括一個蜂窩電話調(diào)制解調(diào)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(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(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━━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(shè)備)的屏幕。當(dāng)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(nèi)完成此類電池的充電，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(shè)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端口所供應(yīng)的2.5W至4.5W功率。此外，產(chǎn)品還必需防止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?zé)o縫地引導(dǎo)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(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(tǒng)用途供應(yīng)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拓撲結(jié)構(gòu)可對從兩個輸入電源(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行無縫管理，并在輸入功率有限時優(yōu)先向系統(tǒng)負載供電。

LTC4155的開關(guān)穩(wěn)壓器起一個變壓器的用途，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(guān)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(tǒng)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(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(由一個外部負溫度系數(shù)[NTC]熱敏電阻負責(zé)測量)時自動停止充電。除了這種自主特性之外，LTC4155還供應(yīng)了一個7位擴展標度模數(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。

通過一個簡單的二線式I2C端口可獲得NTCADC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USB2.0和3.0規(guī)格的設(shè)定值)供應(yīng)了與USB規(guī)范的兼容性。通信總線允許LTC4155供應(yīng)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)。USBOTG(On-The-Go)支持能力可在未采用任何附加組件的情況下供應(yīng)一個返回USB端口的5V電源。

LTC4155的雙輸入、優(yōu)先級多路復(fù)用器可根據(jù)用戶含義的優(yōu)先級(適配器輸入是默認的優(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(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供應(yīng)足夠的功率，即使輸入功率不足或缺失也不例外。

關(guān)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)施加了一個沉重的負擔(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(shè)計旨在應(yīng)對上述難題的解決方法通常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(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)越的解決方法。

功能強大且擁有無可比擬之靈活性的充電解決方法

LTC4000可將任何在外部補償?shù)腄C/DC電源轉(zhuǎn)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(qū)動的常用DC/DC轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)包括(但不限于)降壓、升壓、降壓-升壓、SEpIC和反激式。該器件供應(yīng)了精準的輸入電流和充電電流調(diào)節(jié)，并可在一個3V至60V的寬輸入和輸出電壓范圍內(nèi)運作，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拓撲結(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大的電池充電解決方法。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(jié)構(gòu)，當(dāng)輸入功率有限時，該拓撲結(jié)構(gòu)將優(yōu)先向系統(tǒng)負載供電。LTC4000通過控制外部pFET來供應(yīng)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(tǒng)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。外部檢測電阻器可供應(yīng)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多種電池化學(xué)組成進行充電，包括鋰離子電池/鋰聚合物電池/磷酸鐵鋰離子電池、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(yīng)用供應(yīng)較低的檢測電壓。

結(jié)論

新式便攜產(chǎn)品的設(shè)計師從事著極富挑戰(zhàn)性的工作━━特別當(dāng)其面對電源時。客戶不斷地追逐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(fā)展趨勢帶來了設(shè)計難題，但LTC4155和LTC4000則使設(shè)計工作大為簡化。在低電壓系統(tǒng)中，LTC4155可高效供應(yīng)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(xiàn)一款功能強大的充電解決方法，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：LTC400060V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)磷酸鐵鋰離子電池(LiFepO4)充電