便攜式電源的應(yīng)用趨勢:大功率和多輸入源充電

　　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)了幾個趨勢，設(shè)計師日益需要給產(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，還必須在一個合理的時間內(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 3.7V 的鋰離子電池作為主電源，因為鋰離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 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，其容量必須以數(shù)千毫安-小時計算。為了在幾個小時內(nèi)給這樣一個電池充滿電，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，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，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 IC，不過看一下 LTC4155，這是一個大功率、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 （例如一個交流適配器和一個 USB 端口） 到設(shè)備中可再充電鋰離子電池的配電，同時當(dāng)輸入功率有限時，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，以實現(xiàn)更快的充電時間。與普通的開關(guān)型電池充電器不同，LTC4155 可即時接通工作，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。

　　盡管是以很高的速率給電池充電，監(jiān)視電池是否安全也是很重要的。當(dāng)電池溫度降至低于0°C 或升至高于 40°C ［由一個外部負(fù)溫度系數(shù) （NTC） 熱敏電阻測量］ 時，LTC4155 將自動停止充電。除了這種自主式功能，LTC4155 還提供一個 7 位擴(kuò)展標(biāo)度模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC），以大約 1°C 的分辨率監(jiān)視電池溫度 （參見圖 3）。結(jié)合 4 個可用的浮置電壓設(shè)定值和 15 個電池充電電流設(shè)定值，該 ADC 可基于電池溫度來建立定制的充電算法。

　　圖 3：7 位熱敏電阻器 ADC 顯示 LTC4155 的預(yù)置溫度跳變點(diǎn)

　　通過一個簡單的兩線 I2C 端口可獲得 NTC ADC 的結(jié)果，從而能調(diào)節(jié)充電電流和電壓的設(shè)定值。該 I2C 端口通過控制 16 個輸入電流的設(shè)定值 （包括 USB 2.0 和 3.0 兼容設(shè)置），還可提供 USB 兼容性。該通信總線允許 LTC4155 指示額外的狀態(tài)信息，例如輸入電源狀態(tài)、充電器狀態(tài)和故障狀態(tài)。由于支持 USB OTG，因此無需任何額外的組件，就可以反過來向 USB 端口提供 5V 電源。

　　LTC4155 的雙路輸入、優(yōu)先級多路復(fù)用器可根據(jù)用戶定義的優(yōu)先級 （默認(rèn)的優(yōu)先級為適配器輸入） 自主地選擇最合適的輸入 （即墻上適配器或 USB）。過壓保護(hù) （OVP） 電路同時保護(hù)兩個輸入，以免這些輸入因無意間加上的高壓或反向電壓而損壞。LTC4155 的理想二極管控制器保證即使輸入功率不足或未提供輸入功率時，也始終可向 VOUT 提供足夠的功率。

　　就平板電腦、工業(yè)條碼掃描器等很多便攜式應(yīng)用而言，能管理兩個輸入 （例如 USB 和交流適配器） 就足夠了。不過，便攜式設(shè)備的設(shè)計師一直在尋求用任何可用電源都能給電池充電的方法

　　多種輸入源

　　用戶要用多種輸入源給電池充電有幾個原因。有些應(yīng)用也許需要擺脫電網(wǎng)的束縛，而靠太陽能電池板供電。另一些應(yīng)用則可能要求能方便地用交流適配器、汽車電池或高壓工業(yè)及電信電源充電。無論出于何種原因，這要求都給電池充電系統(tǒng)增加了極大的負(fù)擔(dān)。大多數(shù)電池充電器都利用降壓型 （開關(guān)或線性） 架構(gòu)，用高于電池最高電壓的電壓源給電池充電。以前的充電器產(chǎn)品輸入電壓一般限制為大約 30V。這樣的限制使設(shè)計師無法將電信電源或者具 42V 開路電壓的太陽能電池板作為可行的輸入電源。在有些情況下，希望使用的輸入電源電壓涵蓋了高于和低于電池電壓的范圍。設(shè)計一款應(yīng)對此類難題的解決方案通常需要混合使用高精度的電流檢測放大器、ADC、一個用于控制充電的微處理器、一個高性能 DC/DC 轉(zhuǎn)換器以及一個理想二極管或多路復(fù)用電路。

　　強(qiáng)大的充電解決方案提供無與倫比的靈活性

　　LTC4000 可將任何外部補(bǔ)償?shù)?DC/DC 電源轉(zhuǎn)換成具電源通路 （PowerPath?） 控制的全功能電池充電器?？捎?LTC4000 驅(qū)動的典型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器拓?fù)浒ǖ幌抻冢航祲?、升壓、降?升壓、SEPIC 和反激式拓?fù)?。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，實現(xiàn)了與各種不同的輸入電壓源、以及不同尺寸和化學(xué)組成的電池組的兼容性。由于該器件的通用型配置，因此其典型應(yīng)用十分廣泛，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 / 小型筆記本電腦。

　　除了可以與很多不同的 DC/DC 拓?fù)浣Y(jié)合，LTC4000 的高壓能力還允許該器件構(gòu)成強(qiáng)大和幾乎可使用任何輸入電源 （參見圖 4 和圖 5） 的電池充電解決方案。為了確保來自這些輸入的功率傳送給合適的負(fù)載，LTC4000 采用了一種智能電源通路拓?fù)?，?dāng)輸入功率有限時，該拓?fù)淇蓛?yōu)先為系統(tǒng)負(fù)載供電。LTC4000 控制外部 PFET，以提供低損耗反向電流保護(hù)、電池的低損耗充電和放電以及即時接通工作，這樣就可以確保即使在電池沒電或深度放電時，當(dāng)一插上電源，系統(tǒng)電源就能立即可用。外部檢測電阻器提供輸入電流和電池充電電流信息，從而使 LTC4000 能與涵蓋 mW 至 kW 功率范圍的轉(zhuǎn)換器一起使用。

　　圖 4：LTC4000 和 LTC3789：6V 至 36VIN、4 節(jié) 5A 鋰離子電池充電器