高度靈活的便攜式電池充電器方案

　　便攜式電源應(yīng)用的領(lǐng)域，不但非常廣泛而且多元化，其範圍涵蓋了從平均功耗以僅幾微瓦（μW）計的無線感測器節(jié)點，以至于用于手推式醫(yī)療或資料採集系統(tǒng)等眾多數(shù)百瓦／時的電池組。然而，這些應(yīng)用儘管品項眾多，但均呈現(xiàn)出相對一致的趨勢－亦即，設(shè)計人員不斷地要求其產(chǎn)品擁有較高的功率以支援更多功能，并希望能從任何可用的電源來為電池充電。第一個趨勢，主要是要求提高電池容量。不幸的是，使用者通常缺乏耐心，而且增加的電池容量必須要在合理的時間內(nèi)充電完成，這就導(dǎo)致充電電流的提高。第二個趨勢，則是要求電池充電解決方案具有高度彈性。本文便將針對這些議題提供詳細的說明。

　　更高功率

　　新型的手持裝置，無論是消費性裝置或是工業(yè)設(shè)備，都可能包括一個蜂巢式電話調(diào)變解調(diào)器、一個WiFi模組、一個藍牙模組、一個大型的背光顯示器等。許多手持式裝置的電源架構(gòu)，都可透過蜂巢式電話反映出來。通常，3.7V的鋰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)備都採用7.4V鋰離子電池以降低電流需求，但廉價的5V電源管理IC 的問世，使得越來越多的手持式設(shè)備轉(zhuǎn)而採用較低電壓架構(gòu)。平板電腦便體現(xiàn)了這一點－標準的平板電腦擁有多功能以及非常大（用于可攜式裝置）的螢?zāi)?。當採用一個3.7V電池來供電時，電池的容量必須達到幾千毫安培／小時（mAh）。為了能夠在幾個小時之內(nèi)完成此類電池的充電，所需要的是幾千毫安培（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式電源轉(zhuǎn)接器時，能從USB埠來為其高功率設(shè)備充電，這個期望并未因上述的高充電電流而降低。為了滿足這些要求，在可以使用墻式電源轉(zhuǎn)接器時，電池充電器必須要能夠以高電流（》2A）進行充電，但仍然可以高效率地利用USB埠所提供的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可能造成損壞的過壓，將高電流從一個USB輸入、一個PowerPath或電池無縫式地引導(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)控關(guān)鍵的系統(tǒng)參數(shù)。

　　解決單顆電池供電型可攜式產(chǎn)品的電源難題

　　儘管似乎無法找到單個IC 來滿足上述要求，但不妨考慮LTC4155，這是一款高功率、I2C控制、高效率的PowerPath管理器、理想二極體控制器和鋰電池充電器。該元件設(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)用途提供3.5A以上的電流（見圖1）。即使在這些高電流水準下，LTC4155的88％～94％ 效率仍然可使熱預(yù)算限制條件有所放寬（圖2）。LTC4155的開關(guān)PowerPath架構(gòu)可對從兩個輸入電源（例如：PowerPath和USB埠）至設(shè)備的可再充電鋰電池的功率輸送進行無縫管理，并在輸入功率有限時優(yōu)先為系統(tǒng)負載供電。

　　LTC4155的切換穩(wěn)壓器可提供變壓器的作用，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，此可大幅提升電池充電可用功率的使用效率。如前例所示，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。與普通的切換電池充電器不同，LTC4155具有instant-on操作能力，以確保在插入電源時可立即獲得系統(tǒng)功率，即使所採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（由一個外部負溫度係數(shù)［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位元延伸刻度類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器（ADC），用于以大約1℃的解析度（圖3）來監(jiān)視電池的溫度。結(jié)合4種可用的浮動電壓設(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客製充電演算法 。

　　透過一個簡單的二線式I2C埠可獲得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埠還透過控制包括可相容USB 2.0和3.0規(guī)格的設(shè)定值等16種輸入電流限制設(shè)定值提供了與USB規(guī)範的相容性。通訊匯流排允許LTC4155提供額外的狀態(tài)指示訊息，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）支援能力可在未採用任何附加零組件的情況下，提供一個返回USB埠的5V電源。

　　LTC4155的雙組輸入、優(yōu)先性多工器可根據(jù)用戶定義的優(yōu)先級（適配器輸入是default的優(yōu)先選擇） 自主選擇最合適的輸入（墻式電源轉(zhuǎn)接器或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的理想二極體控制器可確保即使輸入功率不足或缺失，也始終能為VOUT提供足夠的功率。

　　對于諸如平板電腦或工業(yè)條形碼掃描儀等許多可攜式應(yīng)用而言，管理兩個輸入（例如：USB和墻式電源轉(zhuǎn)接器）就足夠了。不過，可攜式設(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。

　　多個輸入源

　　諸多塬因?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)或電信電源進行充電的便利。無論甚么塬因，相關(guān)的要求都為電池充電系統(tǒng)帶來了沉重的負擔。大多數(shù)電池充電器都是利用一種降壓（切換或線性） 架構(gòu)，從一個高于最大電池電壓的電壓電源來為電池充電。早期的充電器產(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，或者採用具有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範圍既會升至電池電壓以上也會降至電池電壓以下。設(shè)計旨在因應(yīng)上述難題的解決方案通常需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)換器以及理想二極體或多工電路。凌力爾特則是推出了一款更卓越的解決方案?！　「叨葟椥缘某潆姺桨?/p>

　　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PowerPath控制功能。LTC4000能夠驅(qū)動的常用DC/DC轉(zhuǎn)換器架構(gòu)，包括、但不限于 降壓、升壓、升降壓、SEPIC和反馳式。該元件提供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的寬廣輸入和輸出電壓範圍內(nèi)運作，因此，其能與多種不同的輸入電壓電源、電池組尺寸和化學(xué)相容。由于這款元件採用通用型配置，因此其擁有相當廣泛的應(yīng)用範圍，包括高功率電池充電器系統(tǒng)、高效能可攜式儀器、電池備援系統(tǒng)、配備電池的工業(yè)設(shè)備以及筆記型電腦／小筆電等。

　　除了可支援多種不同的DC/DC架構(gòu)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