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(fàn)圍涵蓋了從平均功耗以僅幾微瓦（μW）計(jì)的無(wú)線感測(cè)器節(jié)點(diǎn)，以至于用于手推式醫(yī)療或資料採(cǎi)集系統(tǒng)等眾多數(shù)百瓦／時(shí)的電池組。然而，這些應(yīng)用儘管品項(xiàng)眾多，但均呈現(xiàn)出相對(duì)一致的趨勢(shì)－亦即，設(shè)計(jì)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(lái)為電池充電。第一個(gè)趨勢(shì)，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(shí)間內(nèi)充電完成，這就導(dǎo)致充電電流的提高。第二個(gè)趨勢(shì)，則是要求電池充電解決方案具有高度彈性。本文便將針對(duì)這些議題提供詳細(xì)的說(shuō)明。

　　更高功率

　　新型的手持裝置，無(wú)論是消費(fèi)性裝置或是工業(yè)設(shè)備，都可能包括一個(gè)蜂巢式電話調(diào)變解調(diào)器、一個(gè)WiFi模組、一個(gè)藍(lán)牙模組、一個(gè)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(guò)蜂巢式電話反映出來(lái)。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(guò)去，不少高功率密度設(shè)備都採(cǎi)用7.4V鋰離子電池以降低電流需求，但廉價(jià)的5V電源管理IC 的問(wèn)世，使得越來(lái)越多的手持式設(shè)備轉(zhuǎn)而採(cǎi)用較低電壓架構(gòu)。平板電腦便體現(xiàn)了這一點(diǎn)－標(biāo)準(zhǔn)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)?。?dāng)採(cǎi)用一個(gè)3.7V電池來(lái)供電時(shí)，電池的容量必須達(dá)到幾千毫安培／小時(shí)（mAh）。為了能夠在幾個(gè)小時(shí)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(fèi)者同樣希望能夠在沒(méi)有可用的大電流墻式電源轉(zhuǎn)接器時(shí)，能從USB埠來(lái)為其高功率設(shè)備充電，這個(gè)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(shí)，電池充電器必須要能夠以高電流（》2A）進(jìn)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(guò)壓，將高電流從一個(gè)USB輸入、一個(gè)PowerPath或電池?zé)o縫式地引導(dǎo)至負(fù)載，并最大限度地降低功率損耗。與此同時(shí)，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(wú)法找到單個(gè)IC 來(lái)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(jì)用于從多種5V電源高效地輸送高達(dá)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(jiàn)圖1）。即使在這些高電流水準(zhǔn)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(kāi)關(guān)PowerPath架構(gòu)可對(duì)從兩個(gè)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(jìn)行無(wú)縫管理，并在輸入功率有限時(shí)優(yōu)先為系統(tǒng)負(fù)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(fù)載電流超過(guò)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(dá)3.5A的電流進(jìn)行高效充電，從而縮短充電時(shí)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(shí)可立即獲得系統(tǒng)功率，即使所採(cǎi)用的是一個(gè)失效的電池或深度放電的電池也不例外。

　　在對(duì)電池進(jìn)行高速充電時(shí)，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(gè)外部負(fù)溫度係數(shù)［NTC］熱敏電阻負(fù)責(zé)測(cè)量）時(shí)自動(dòng)停止充電。除了這種自主特性之外，LTC4155還提供了一個(gè)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(lái)監(jiān)視電池的溫度。結(jié)合4種可用的浮動(dòng)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(guò)一個(gè)簡(jiǎn)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(guò)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(fàn)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(cǎi)用任何附加零組件的情況下，提供一個(gè)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(jí)（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(guò)壓保護(hù)（OVP）電路用于同時(shí)保護(hù)兩個(gè)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(duì)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(gè)輸入（例如：USB和墻式電源轉(zhuǎn)接器）就足夠了。不過(guò)，可攜式設(shè)備的設(shè)計(jì)人員仍在繼續(xù)探尋能夠從任何可用電源來(lái)給電池充電的方法。

　　多個(gè)輸入源

　　諸多塬因?qū)е掠脩粝Ｍ麖亩喾N輸入電源來(lái)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(yáng)能板來(lái)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(jìn)行充電的便利。無(wú)論甚么塬因，相關(guān)的要求都為電池充電系統(tǒng)帶來(lái)了沉重的負(fù)擔(dān)。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(gè)高于最大電池電壓的電壓電源來(lái)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(jì)人員無(wú)法考慮將電信電源作為可行的輸入電源，或者採(cǎi)用具有42V開(kāi)路電壓的太陽(yáng)能板。在某些場(chǎng)合中，期望輸入電源的電壓範(fàn)圍既會(huì)升至電池電壓以上也會(huì)降至電池電壓以下。設(shè)計(jì)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(cè)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(bǔ)償?shù)腄C/DC電源轉(zhuǎn)換為一個(gè)全功能的電池充電器，并具有PowerPath控制功能。LTC4000能夠驅(qū)動(dòng)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(zhǔn)的輸入電流和充電電流調(diào)節(jié)，并可在一個(gè)3V至60V的寬廣輸入和輸出電壓範(fàn)圍內(nèi)運(yùn)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(cǎi)用通用型配置，因此其擁有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用範(fàn)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(lái)形成功能強(qiáng)大的電池充