電池充電器在便攜式電源產(chǎn)品中的應(yīng)用趨勢(shì)

　　背景

　　便攜式電源的應(yīng)用范圍很廣，也很多樣化。產(chǎn)品包括消耗 uW 級(jí)平均功率的無線傳感器節(jié)點(diǎn)以及可用小車推著的、電池組耗電數(shù)百瓦-時(shí)的醫(yī)療或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。不過，盡管應(yīng)用種類很多，仍然出現(xiàn)了幾個(gè)趨勢(shì)，設(shè)計(jì)師日益需要給產(chǎn)品提供更大的功率，以支持不斷增多的功能，同時(shí)也在考慮怎樣用任何可用電源給電池充電。要滿足第一種需求，就要提高電池容量。不幸的是，用戶大多比較心急，容量提高以后，還必須在一個(gè)合理的時(shí)間內(nèi)充滿電，這就導(dǎo)致要增大充電電流。要滿足第二種需求，就要求電池充電解決方案提供極大的靈活性。本文將更詳細(xì)地討論這些問題。

　　更大的功率

　　考慮一下新式手持式設(shè)備，面向消費(fèi)者的設(shè)備和工業(yè)設(shè)備都可能包括蜂窩電話調(diào)制解調(diào)器、Wi-Fi 模塊、藍(lán)牙模塊、大尺寸背光照明顯示屏 … 等等。很多手持式設(shè)備的電源架構(gòu)都與蜂窩電話的非常相似。一般情況下，用一個(gè) 3.7V 的鋰離子電池作為主電源，因?yàn)殇囯x子電池按重量和按體積的能量密度都很高 (單位分別為 Wh/kg 和 Wh/m3)。過去，很多大功率設(shè)備都采用 7.4V 鋰離子電池，以降低電流要求，不過低價(jià) 5V 電源管理 IC 的上市已經(jīng)促使越來越多的手持式設(shè)備采用了電壓更低的架構(gòu)。平板電腦很好地說明了這一點(diǎn)：一個(gè)典型的平板電腦有極多的功能以及非常大的顯示屏 (就便攜式設(shè)備而言)。用 3.7V 電池供電時(shí)，其容量必須以數(shù)千毫安-小時(shí)計(jì)算。為了在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)給這樣一個(gè)電池充滿電，需要數(shù)千 mA 的充電電流。

　　然而，如果沒有大電流交流適配器，盡管充電電流這么高，也不能防止消費(fèi)者用 USB 端口給大功率設(shè)備充電的想法。為了滿足這種需求，當(dāng)交流適配器可用時(shí)，電池充電器必須能以大電流 (>2A) 充電，而在沒有交流適配器可用時(shí)，電池充電器必須仍能高效地利用 USB 端口提供 2.5W 至 4.5W 功率。此外，器件必須保護(hù)敏感的下游低壓組件免受可能出現(xiàn)過壓情況所導(dǎo)致的損壞，同時(shí)必須無縫地將大電流從 USB 輸入、交流適配器或電池傳送到負(fù)載，并最大限度地降低功耗。另外，該 IC 還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)。

　　戰(zhàn)勝單節(jié)電池供電的便攜式產(chǎn)品在功率方面的挑戰(zhàn)

　　盡管看似不可能找到能滿足上述要求的單個(gè) IC，不過看一下 LTC4155，這是一個(gè)大功率、I2C 控制的高效率電源通路 (PowerPath™) 管理器、理想二極管控制器和鋰離子電池充電器。該 IC 用來從各種 5V 電源高效地傳送高達(dá) 3A 的電流，可產(chǎn)生超過 3.5A 的可用電流，以供電池充電和系統(tǒng)使用 (參見圖 1)。LTC4155 的效率為 88% 至 94%，因此即使電流值這么大，該 IC 仍然可以減輕熱量預(yù)算限制 (參見圖 2)。LTC4155 的開關(guān)式電源通路拓?fù)錈o縫地管理從兩種輸入電源 (例如一個(gè)交流適配器和一個(gè) USB 端口) 到設(shè)備中可再充電鋰離子電池的配電，同時(shí)當(dāng)輸入功率有限時(shí)，優(yōu)先為系統(tǒng)負(fù)載供電。

　　圖 1：LTC4155 的典型應(yīng)用電路

　　圖 2：LTC4155 的典型效率

　　與典型的線性模式充電器相比，LTC4155 中開關(guān)穩(wěn)壓器的作用就像一個(gè)變壓器，允許 VOUT 上的負(fù)載電流超過輸入電源吸取的電流，并極大地提高電池充電的可用功率。前述例子說明了 LTC4155 怎樣才能以高達(dá) 3.5A 的電流高效率地充電，以實(shí)現(xiàn)更快的充電時(shí)間。與普通的開關(guān)型電池充電器不同，LTC4155 可即時(shí)接通工作，以確保即使電池沒電或已深度放電，當(dāng)一插上電源插頭，系統(tǒng)電源也立即可用。