电池充电器在便携式电源产品中的应用趋势--— 大功率和宽输入范围

背景
    便携式电源的应用范围很广，也很多样化。产品包括消耗 uW 级平均功率的无线传感器节点以及可用小车推着的、电池组耗电数百瓦-时的医疗或数据采集系统。不过，尽管应用种类很多，仍然出现了几个趋势，设计师日益需要给产品提供更大的功率，以支持不断增多的功能，同时也在考虑怎样用任何可用电源给电池充电。要满足第一种需求，就要提高电池容量。不幸的是，用户大多比较心急，容量提高以后，还必须在一个合理的时间内充满电，这就导致要增大充电电流。要满足第二种需求，就要求电池充电解决方案提供极大的灵活性。本文将更详细地讨论这些问题。

更大的功率
    考虑一下新式手持式设备，面向消费者的设备和工业设备都可能包括蜂窝电话调制解调器、Wi-Fi 模块、蓝牙模块、大尺寸背光照明显示屏 … 等等。很多手持式设备的电源架构都与蜂窝电话的非常相似。一般情况下，用一个 3.7V 的锂离子电池作为主电源，因为锂离子电池按重量和按体积的能量密度都很高 (单位分别为 Wh/kg 和 Wh/m³)。过去，很多大功率设备都采用 7.4V 锂离子电池，以降低电流要求，不过低价 5V 电源管理 IC 的上市已经促使越来越多的手持式设备采用了电压更低的架构。平板电脑很好地说明了这一点：一个典型的平板电脑有极多的功能以及非常大的显示屏 (就便携式设备而言)。用 3.7V 电池供电时，其容量必须以数千毫安-小时计算。为了在几个小时内给这样一个电池充满电，需要数千 mA 的充电电流。

然而，如果没有大电流交流适配器，尽管充电电流这么高，也不能防止消费者用 USB 端口给大功率设备充电的想法。为了满足这种需求，当交流适配器可用时，电池充电器必须能以大电流 (>2A) 充电，而在没有交流适配器可用时，电池充电器必须仍能高效地利用 USB 端口提供 2.5W 至 4.5W 功率。此外，器件必须保护敏感的下游低压组件免受可能出现过压情况所导致的损坏，同时必须无缝地将大电流从 USB 输入、交流适配器或电池传送到负载，并最大限度地降低功耗。另外，该 IC 还必须安全地管理电池充电算法，并监视关键的系统参数。

战胜单节电池供电的便携式产品在功率方面的挑战
    尽管看似不可能找到能满足上述要求的单个 IC，不过看一下 LTC4155，这是一个大功率、I²C 控制的高效率电源通路 (PowerPath™) 管理器、理想二极管控制器和锂离子电池充电器。该 IC 用来从各种 5V 电源高效地传送高达 3A 的电流，可产生超过 3.5A 的可用电流，以供电池充电和系统使用 (参见图 1)。LTC4155 的效率为 88% 至 94%，因此即使电流值这么大，该 IC 仍然可以减轻热量预算限制 (参见图 2)。LTC4155 的开关式电源通路拓扑无缝地管理从两种输入电源 (例如一个交流适配器和一个 USB 端口) 到设备中可再充电锂离子电池的配电，同时当输入功率有限时，优先为系统负载供电。

 
图 1：LTC4155 的典型应用电路

 
图 2：LTC4155 的典型效率

与典型的线性模式充电器相比，LTC4155 中开关稳压器的作用就像一个变压器，允许 V_OUT 上的负载电流超过输入电源吸取的电流，并极大地提高电池充电的可用功率。前述例子说明了 LTC4155 怎样才能以高达 3.5A 的电流高效率地充电，以实现更快的充电时间。与普通的开关型电池充电器不同，LTC4155 可即时接通工作，以确保即使电池没电或已深度放电，当一插上电源插头，系统电源也立即可用。

尽管是以很高的速率给电池充电，监视电池是否安全也是很重要的。当电池温度降至低于0°C 或升至高于 40°C [由一个外部负温度系数 (NTC) 热敏电阻测量] 时，LTC4155 将自动停止充电。除了这种自主式功能，LTC4155 还提供一个 7 位扩展标度模数转换器 (ADC)，以大约 1°C 的分辨率监视电池温度 (参见图 3)。结合 4 个可用的浮置电压设定值和 15 个电池充电电流设定值，该 ADC 可基于电池温度来建立定制的充电算法。

 
图 3：7 位热敏电阻器 ADC 显示 LTC4155 的预置温度跳变点

通过一个简单的两线 I²C 端口可获得 NTC ADC 的结果，从而能调节充电电流和电压的设定值。该 I2C 端口通过控制 16 个输入电流的设定值 (包括 USB 2.0 和 3.0 兼容设置)，还可提供 USB 兼容性。该通信总线允许 LTC4155 指示额外的状态信息，例如输入电源状态、充电器状态和故障状态。由于支持 USB OTG，因此无需任何额外的组件，就可以反过来向 USB 端口提供 5V 电源。

LTC4155 的双路输入、优先级多路复用器可根据用户定义的优先级 (默认的优先级为适配器输入) 自主地选择最合适的输入 (即墙上适配器或 USB)。过压保护 (OVP) 电路同时保护两个输入，以免这些输入因无意间加上的高压或反向电压而损坏。LTC4155 的理想二极管控制器保证即使输入功率不足或未提供输入功率时，也始终可向 V_OUT 提供足够的功率。

就平板电脑、工业条码扫描器等很多便携式应用而言，能管理两个输入 (例如 USB 和交流适配器) 就足够了。不过，便携式设备的设计师一直在寻求用任何可用电源都能给电池充电的方法

多种输入源
    用户要用多种输入源给电池充电有几个原因。有些应用也许需要摆脱电网的束缚，而靠太阳能电池板供电。另一些应用则可能要求能方便地用交流适配器、汽车电池或高压工业及电信电源充电。无论出于何种原因，这要求都给电池充电系统增加了极大的负担。大多数电池充电器都利用降压型 (开关或线性) 架构，用高于电池最高电压的电压源给电池充电。以前的充电器产品输入电压一般限制为大约 30V。这样的限制使设计师无法将电信电源或者具 42V 开路电压的太阳能电池板作为可行的输入电源。在有些情况下，希望使用的输入电源电压涵盖了高于和低于电池电压的范围。设计一款应对此类难题的解决方案通常需要混合使用高精度的电流检测放大器、ADC、一个用于控制充电的微处理器、一个高性能 DC/DC 转换器以及一个理想二极管或多路复用电路。

强大的充电解决方案提供无与伦比的灵活性
    LTC4000 可将任何外部补偿的 DC/DC 电源转换成具电源通路 (PowerPath™) 控制的全功能电池充电器。可由 LTC4000 驱动的典型 DC/DC 转换器拓扑包括但不限于：降压、升压、降压-升压、SEPIC 和反激式拓扑。该器件提供精确的输入和充电电流调节，在 3V 至 60V 的宽输入和输出电压范围内工作，实现了与各种不同的输入电压源、以及不同尺寸和化学组成的电池组的兼容性。由于该器件的通用型配置，因此其典型应用十分广泛，包括高功率电池充电器系统、高性能便携式仪器、电池后备系统、配有工业电池的设备以及笔记本 / 小型笔记本电脑。

除了可以与很多不同的 DC/DC 拓扑结合，LTC4000 的高压能力还允许该器件构成强大和几乎可使用任何输入电源 (参见图 4 和图 5) 的电池充电解决方案。为了确保来自这些输入的功率传送给合适的负载，LTC4000 采用了一种智能电源通路拓扑，当输入功率有限时，该拓扑可优先为系统负载供电。LTC4000 控制外部 PFET，以提供低损耗反向电流保护、电池的低损耗充电和放电以及即时接通工作，这样就可以确保即使在电池没电或深度放电时，当一插上电源，系统电源就能立即可用。外部检测电阻器提供输入电流和电池充电电流信息，从而使 LTC4000 能与涵盖 mW 至 kW 功率范围的转换器一起使用。

 
图 4：LTC4000 和 LTC3789：6V 至 36V_IN、4 节 5A 锂离子电池充电器

 
图 5：图 4 电路中系统负载为 4A 时效率随 V_IN 的变化

LTC4000 的全功能电池充电控制器可为各种化学组成的电池充电，包括锂离子 / 聚合物 / 磷酸、密封铅酸 (SLA) 和镍化学组成。该电池充电器还提供精确的电流检测功能，从而在大电流应用情况下允许较低的检测电压。

结论
    新式便携式产品设计师的工作极富挑战性，尤其是涉及到电源时。客户不断要求更多功能以导致需要更大的功率，结果是电池越来越大。同时，客户希望可方便地用几乎任何可用的电源给这些电池充电。尽管便携式电源领域的这些趋势造成了设计挑战，但是 LTC4155 和 LTC4000 让设计工作变得简单多了。在低压系统中，LTC4155 高效率地提供高达 3.5A 的充电电流，而且提供很多高性能功能。LTC4000 可构成强大的充电解决方案，而且几乎可使用任何输入，从而提供了无与伦比的性能和灵活性。