中心議題:

• 探究便攜式電源產品中的電池充電器發展趨勢

解決方案:

• 采用通用型配置
• 在輸入功率有限時優先向係統負載供電

• IC安全地管理電池充電算法並監視關鍵的係統參數
• 采用低電壓係統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 dewuxianchuanganqijiediandaocaiyonghaojibaiwashidianchizudechezaishiyiliaohuoshujucaijixitongdengzhongduomenlei。raner，jinguanpinzhongfanduo，dantamenquechengxianchulexiangduiyizhidefazhanqushi ━━ 設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)不(bu)斷(duan)地(di)要(yao)求(qiu)其(qi)產(chan)品(pin)擁(yong)有(you)較(jiao)高(gao)的(de)功(gong)率(lv)以(yi)支(zhi)持(chi)更(geng)多(duo)的(de)功(gong)能(neng)，並(bing)指(zhi)望(wang)能(neng)從(cong)任(ren)何(he)可(ke)用(yong)的(de)電(dian)源(yuan)來(lai)給(gei)電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)。第(di)一(yi)個(ge)趨(qu)勢(shi)要(yao)求(qiu)增(zeng)加(jia)電(dian)池(chi)容(rong)量(liang)。不(bu)幸(xing)的(de)是(shi)，用(yong)戶(hu)常(chang)常(chang)缺(que)乏(fa)耐(nai)心(xin)，而(er)且(qie)增(zeng)加(jia)的(de)電(dian)池(chi)容(rong)量(liang)必(bi)須(xu)要(yao)在(zai)合(he)理(li)的(de)時(shi)間(jian)之(zhi)內(nei)完(wan)成(cheng)充(chong)電(dian)

，這(zhe)就(jiu)必(bi)然(ran)導(dao)致(zhi)充(chong)電(dian)電(dian)流(liu)的(de)增(zeng)大(da)。第(di)二(er)個(ge)趨(qu)勢(shi)則(ze)要(yao)求(qiu)電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)具(ju)有(you)巨(ju)大(da)的(de)靈(ling)活(huo)性(xing)。我(wo)們(men)將(jiang)對(dui)這(zhe)些(xie)問(wen)題(ti)逐(zhu)個(ge)進(jin)行(xing)較(jiao)為(wei)詳(xiang)細(xi)的(de)探(tan)究(jiu)。

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製解調器、一個WiFi模塊
、一個藍牙模塊、一個大型的背麵照明顯示器等等。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 的麵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 (用於便攜式設備) 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牆上適配器時從一個 USB 端duan口kou來lai為wei其qi高gao功gong率lv設she備bei充chong電dian，這zhe種zhong願yuan望wang並bing未wei因yin為wei上shang述shu的de高gao充chong電dian電dian流liu而er被bei遏e製zhi。為wei了le滿man足zu這zhe些xie要yao求qiu
，在zai可ke以yi使shi用yong牆qiang上shang適shi配pei器qi時shi
，電dian池chi充chong電dian器qi必bi須xu要yao能neng夠gou以yi高gao電dian流liu (>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遊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、一個牆上適配器或電池無縫地引導至負載，並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並監視關鍵的係統參數。

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 控製、高效率 PowerPathTM管理器、理想二極管控製器和鋰離子電池充電器。該器件設計用於從多種 5V 電源高效地輸送高達 3A 的電流，可為電池充電及係統用途提供 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製條件有所放寬。LTC4155 的開關 PowerPath 拓撲結構可對從兩個輸入電源 (比如：牆上適配器和 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，並在輸入功率有限時優先向係統負載供電。

LTC4155 的開關穩壓器起一個變壓器的作用
，允許 VOUT 上(shang)的(de)負(fu)載(zai)電(dian)流(liu)超(chao)過(guo)輸(shu)入(ru)電(dian)源(yuan)所(suo)吸(xi)收(shou)的(de)電(dian)流(liu)，與(yu)常(chang)用(yong)的(de)線(xian)性(xing)模(mo)式(shi)充(chong)電(dian)器(qi)相(xiang)比(bi)，大(da)幅(fu)度(du)地(di)改(gai)善(shan)了(le)電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)可(ke)用(yong)功(gong)率(lv)的(de)使(shi)用(yong)效(xiao)率(lv)。如(ru)前(qian)麵(mian)的(de)例(li)子(zi)所(suo)示(shi)，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係統功率

，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 (由一個外部負溫度係數 [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)
，用於以大約 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 能夠用於建立基於電池溫度的定製充電算法。

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 端口還通過控製 16 種輸入電流限製設定值 (包括可兼容 USB 2.0 和 3.0 規格的設定值) 提供了與 USB 規範的兼容性。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
、優先級多路複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 (牆上適配器或 USB)。過壓保護 (OVP) 電路用於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 的理想二極管控製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。

對於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和牆上適配器) 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zhu多duo原yuan因yin導dao致zhi用yong戶hu希xi望wang從cong多duo種zhong輸shu入ru電dian源yuan來lai給gei電dian池chi充chong電dian。某mou些xie應ying用yong有you可ke能neng需xu要yao脫tuo離li電dian網wang並bing指zhi望wang由you太tai陽yang能neng板ban來lai供gong電dian。其qi他ta的de應ying用yong則ze希xi望wang擁yong有you能neng夠gou從cong牆qiang上shang適shi配pei器qi、qichedianchihuozhegaodianyagongyehuodianxindianyuanjinxingchongdiandebianli。buguanshishenmeyuanyin
，zhezhongyaoqiudougeidianchichongdianxitongshijialeyigechenzhongdefudan。daduoshudianchichongdianqijunliyongyizhongjiangya (開關或線性) 架構從一個高於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製於大約 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 kailudianyadetaiyangnengban。zaimouxiechanghezhong
，qiwangshurudianyuandedianyafanweijihuishengzhidianchidianyayishangyehuijiangzhidianchidianyayixia。shejizhizaiyingduishangshunantidejiejuefangantongchangxuyaozhenghegaojingdudedianliujiancefangdaqi、ADC

、用於控製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複用電路。淩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
，並具有 PowerPathTM 控製功能。LTC4000 能夠驅動的常用DC/DC 轉換器拓撲結構包括 (但不限於) 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

，並可在一個 3V 至 60V 的寬輸入和輸出電壓範圍內運作，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。由於這款器件采用了通用型配置，因此其典型應用範圍十分廣泛，包括高功率電池充電器係統、高性能便攜式儀器、電池後備係統、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de高gao電dian壓ya能neng力li還hai使shi其qi能neng夠gou利li用yong幾ji乎hu任ren何he輸shu入ru電dian源yuan來lai形xing成cheng功gong能neng強qiang大da的de電dian池chi充chong電dian解jie決jue方fang案an。為wei了le確que保bao來lai自zi這zhe些xie輸shu入ru的de功gong率lv能neng輸shu送song至zhi合he適shi的de負fu載zai，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係統負載供電。LTC4000 通過控製外部 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”caozuo，yiquebaozaicharudianyuanshikelijihuodexitonggonglv，jishisuocaiyongdeshiyigeshixiaodedianchihuoshendufangdiandedianchiyebuliwai。waibujiancedianzuqiketigongshurudianliuhedianchichongdiandianliuxinxi，congershide LTC4000 能夠與功率範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製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(te)別(bie)當(dang)其(qi)麵(mian)對(dui)電(dian)源(yuan)時(shi)。客(ke)戶(hu)不(bu)斷(duan)地(di)追(zhui)逐(zhu)需(xu)要(yao)消(xiao)耗(hao)更(geng)多(duo)功(gong)率(lv)的(de)功(gong)能(neng)，因(yin)而(er)必(bi)需(xu)使(shi)用(yong)更(geng)大(da)的(de)電(dian)池(chi)。與(yu)此(ci)同(tong)時(shi)，客(ke)戶(hu)還(hai)希(xi)望(wang)擁(yong)有(you)從(cong)幾(ji)乎(hu)所(suo)有(you)的(de)可(ke)用(yong)電(dian)源(yuan)來(lai)給(gei)這(zhe)些(xie)電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)的(de)便(bian)利(li)。雖(sui)然(ran)便(bian)攜(xie)式(shi)電(dian)源(yuan)的(de)上(shang)述(shu)發(fa)展(zhan)趨(qu)勢(shi)帶(dai)來(lai)了(le)設(she)計(ji)難(nan)題(ti)
，但(dan) LTC4155 和 LTC4000 則使設計工作大為簡化。在低電壓係統中
，LTC4155 可高效提供高達 3.5A 的充電電流，並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。


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