高壓、大電流控制器實現(xiàn)多種拓撲 mW 至 kW 電池充電

目前的市場趨勢表明，人們對大容量 SLA 電池重新產(chǎn)生了興趣，大容量 SLA 電池不再僅用于汽車了，這勉強算是一種復(fù)興吧。從價格/功率輸出的角度來看，汽車或“為啟動供電的”SLA 電池并不算貴，可以提供短持續(xù)時間的大脈沖電流，從而非常適用于汽車和其他車輛啟動器應(yīng)用。深周期鉛酸電池是另一種在工業(yè)應(yīng)用中非常流行的技術(shù)。這類電池的極板比汽車電池厚，設(shè)計為放電至其滿充電量的 20%。這通常用于要求在較長時間內(nèi)供電的應(yīng)用，例如在叉車和高爾夫球推車等。然而，鉛酸電池對過充電非常敏感，因此小心謹慎地充電非常重要。

顯然，太陽能供電應(yīng)用在增加。各種不同尺寸的太陽能電池板現(xiàn)在能給各種創(chuàng)新性應(yīng)用供電，例如人行橫道標志燈、垃圾壓實機、海上航標燈等應(yīng)用。在太陽能供電應(yīng)用中使用的電池是一種深周期電池，除了深度放電以外，還能承受長時間重復(fù)的充電周期。這種類型的電池常見于“脫離電網(wǎng)” (即未與電力公司的供電網(wǎng)連接) 的可再生能源系統(tǒng)，例如太陽能或風力發(fā)電系統(tǒng)。

設(shè)計師一開始設(shè)計充電解決方案時，會遇到一些更為棘手的問題，包括高輸入電壓要求、需要給大容量電池充電、輸入電壓范圍高于和低于電池電壓范圍等。此外，更糟糕的是，有很多應(yīng)用沒有專有和簡單的電池充電解決方案。這類應(yīng)用的例子包括：

·由很多節(jié)電池串聯(lián)組成的電池組━━現(xiàn)在沒有適用于 >4 節(jié)鋰離子電池的 IC 解決方案

·高輸入電壓應(yīng)用 – 現(xiàn)在沒有高于 30V 至 40V 的 IC 解決方案

·降壓-升壓型應(yīng)用和隔離式拓撲 (例如反激式配置)

由于 IC 設(shè)計的復(fù)雜性，現(xiàn)有電池充電控制器主要限于降壓型架構(gòu)。一些現(xiàn)有解決方案可以給多種化學(xué)組成的電池充電，有些解決方案提供內(nèi)置的終止功能。不過，直到現(xiàn)在，也沒有哪款充電器能提供解決上述所有問題所必需的性能。大功率電池充電器系統(tǒng)、便攜式儀器、配備電池的工業(yè)設(shè)備和通用充電系統(tǒng)都可能成為這樣一種充電器的流行應(yīng)用。

解決上述問題的 IC 充電解決方案需要擁有如果不是全部、也是很多以下特性：

·靈活性：該解決方案必須能與各種不同的開關(guān)拓撲一起運行

·寬輸入電壓范圍

·寬輸出電壓范圍以滿足多個電池組的需求

·能給多種化學(xué)組成的電池充電

·簡單、自主工作 (無需微處理器)

·大的輸出電流

·占板面積小和扁平的解決方案

·先進的封裝以改善熱性能和空間利用率

具電源通路 (PowerPath™) 控制和輸入電流限制的典型同類解決方案非常復(fù)雜，由一個 DC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器、一個微處理器加上幾個 IC 和分立式組件組成。不過，由于凌力爾特推出了新的 LTC4000 電池充電控制器，所以現(xiàn)在更簡單的解決方案唾手可得了。

LTC4000 是一款高壓控制器和電源管理器，幾乎能將任何外部補償?shù)?DC/DC 電源轉(zhuǎn)換成全功能電池充電器，參見圖 1。LTC4000 能驅(qū)動典型的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器拓撲，包括降壓型、升壓型、降壓-升壓型、SEPIC 和反激式拓撲。該器件提供精確的輸入和充電電流調(diào)節(jié)，在 3V 至 60V 的寬輸入和輸出電壓范圍內(nèi)工作，從而可與各種差分輸入電壓源、電池組和電池化學(xué)組成兼容。典型應(yīng)用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)、配有工業(yè)電池的設(shè)備以及筆記本電腦 / 迷你型筆記本電腦。

LTC4000 采用智能電源通路拓撲，當輸入功率有限時，優(yōu)先向系統(tǒng)負載供電。LTC4000 控制兩個外部 PFET，以提供低損耗反向電流保護、電池的高效率充電和放電、以及即時接通工作，從而確保即使電池沒電或深度放電時，一插上電源插頭就有系統(tǒng)電源。外部檢測電阻器和精確檢測能在高效率時提供準確的電流，從而允許 LTC4000 與涵蓋毫瓦至千瓦功率范圍的轉(zhuǎn)換器一起工作。

LTC4000 的全功能控制器能給各種化學(xué)組成的電池充電，包括鋰離子 / 聚合物 / 磷酸鹽、密封鉛酸及基于鎳的電池。該器件還通過 FLT 和 CHRG 引腳提供充電狀態(tài)指示信號。該電池充電器的其他特色包括：±0.25% 的可編程浮置電壓、可選定時器或 C/X 電流終止、利用 NTC 熱敏電阻器實現(xiàn)的溫度合格的充電、自動再充電、面向深度放電電池的 C/10 涓流充電和壞電池檢測。

LTC4000 采用扁平 (0.75mm) 28 引腳 4mm x 5mm QFN 封裝和 28 引線 SSOP 封裝。該器件在 -40°C 至 125°C 的溫度范圍內(nèi)工作是有保證的。其關(guān)鍵特色如下：

·與一個 DC/DC 轉(zhuǎn)換器配對使用時，可實現(xiàn)一個完整的高性能電池充電器

·寬輸入和輸出電壓范圍：3V 至 60V

·輸入理想二極管實現(xiàn)低損耗反向隔離和負載共享

·輸出理想二極管實現(xiàn)低損耗電源通路和與電池的負載共享

·電源通路控制

·在電池深度放電時即時接通工作

·可編程輸入和充電電流：準確度為 ±1%

·準確的可編程浮置電壓 (室溫時為 ±0.2%，隨溫度變化為 ±1%)

·可編程 C/X 或基于定時器的充電終止

·NTC 輸入以實現(xiàn)在合格的溫度條件下充電

LTC4000 需要一個外部補償?shù)拈_關(guān)穩(wěn)壓器以構(gòu)成一個完整的電池管理解決方案。系統(tǒng)性能將基于 LTC4000 與之配對的開關(guān)穩(wěn)壓器類型的不同而變化。

LTC4000 包括 4 個不同的調(diào)節(jié)環(huán)路：輸入電流、充電電流、電池浮置電壓和輸出電壓 (A4DA7)，請看下面的方框圖。無論哪一個環(huán)路都需要 ITH 引腳上的電壓最低，以穩(wěn)定控制外部 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。輸入電流調(diào)節(jié)環(huán)路確保在穩(wěn)定狀態(tài)時不超過所設(shè)定的輸入電流限制 (利用 IL 引腳上的電阻器)。充電電流調(diào)節(jié)環(huán)路確保，不超過所設(shè)定的電池充電電流限制 (利用 CL 引腳上的電阻器)。

浮置電壓調(diào)節(jié)環(huán)路可確保編程電池組電壓 (采用一個通過 BFB 從 BAT 連接至 FBG 的電阻器來設(shè)置)不被超過。輸出電壓調(diào)節(jié)環(huán)路則用于確保編程系統(tǒng)輸出電壓 (采用一個通過 OFB 從 CSP 連接至 FBG 的電阻分壓器來設(shè)置) 不被超過。另外，LTC4000 還提供了輸入電流和充電電流監(jiān)視引腳 (分別為 IIMON 和 IBMON 引腳)。

凌力爾特的演示電路 DC1721A-A 是一個 14.6V、5A 電池充電器和電源通路管理器，采用了輸入范圍為 6V 至 36V 的降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器采用 LTC4000 / LTC3789，針對 4 節(jié) LiFePO4 電池應(yīng)用。參見圖 3 的系統(tǒng)方框圖。

這個演示電路板的輸出專門為 Tenergy 的 10Ahr 電池而定制。其他電壓可以通過改變外部電阻器來設(shè)定。利用微調(diào)電阻器可以準確地微調(diào)所希望的標稱電壓。設(shè)計該電路的目的是要說明在一個具智能電源通路 (PowerPath) 管理器的降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器電池充電器中使用這些器件能獲得高性能水平、效率與小巧解決方案尺寸。

該電路以 400kHz 工作，在 6V 至 36V 的輸入電壓范圍內(nèi)，產(chǎn)生穩(wěn)定的 5A/14.6V 電池充電器輸出以及高達 6.25A 的系統(tǒng)輸出，適用于種類繁多的便攜式應(yīng)用 (包括儀表、工業(yè)設(shè)備、電動工具和電腦)。該電路的總體占板面積為 12.4cm² (如果僅用 LTC4000 電路，則為 3.6cm²)，從而能實現(xiàn)非常緊湊的解決方案 (參見圖 4)。同步整流有助于在滿負載和標稱輸入時獲得超過 96% 的效率 (參見圖 5).

為了增加電路評估和仿真功能，不久將推出演示電路 DC1830，從而允許 LTC4000 電路板與采用其他兼容 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的獨立評估電路板連接。

LTC4000 是一款高壓、大電流電池充電控制器和電源通路管理器，與任何外部補償 (I_TH/V_C 引腳) 的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器相結(jié)合，可構(gòu)成強大的電池充電和電源管理解決方案。該器件幾乎與采用任何拓撲的開關(guān)都兼容，包括 (但不限于) 降壓型、升壓型、降壓-升壓型、SEPIC 和反激式拓撲。LTC4000 的全功能控制器可為各種化學(xué)組成的電池充電，包括鋰離子 / 聚合物 / 磷酸鹽、密封鉛酸和基于鎳的電池。LTC4000 采用緊湊、扁平 (0.75mm) 的 28 引腳 4mm x 5mm QFN 封裝，或者有引線的 28 引線 SSOP 封裝。這極大地簡化了一度非常困難的設(shè)計任務(wù)。