便攜式電源的應用趨勢:大功率和多輸入源充電

　　背景

　　便攜式電源的應用范圍很廣，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，盡管應用種類很多，仍然出現(xiàn)了幾個趨勢，設計師日益需要給產(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。本文將更詳細地討論這些問題。

　　更大的功率

　　考慮一下新式手持式設備，面向消費者的設備和工業(yè)設備都可能包括蜂窩電話調(diào)制解調(diào)器、Wi-Fi 模塊、藍牙模塊、大尺寸背光照明顯示屏 … 等等。很多手持式設備的電源架構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備采用了電壓更低的架構。平板電腦很好地說明了這一點：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，也不能防止消費者用 USB 端口給大功率設備充電的想法。為了滿足這種需求，當交流適配器可用時，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，器件必須保護敏感的下游低壓組件免受可能出現(xiàn)過壓情況所導致的損壞，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 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算限制 （參見圖 2）。LTC4155 的開關式電源通路拓撲無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） 到設備中可再充電鋰離子電池的配電，同時當輸入功率有限時，優(yōu)先為系統(tǒng)負載供電。

　　圖 1：LTC4155 的典型應用電路

　　圖 2：LTC4155 的典型效率

　　與典型的線性模式充電器相比，LTC4155 中開關穩(wěn)壓器的作用就像一個變壓器，允許 VOUT 上的負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 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。當電池溫度降至低于0°C 或升至高于 40°C ［由一個外部負溫度系數(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 位擴展標度模數(shù)轉換器 （ADC），以大約 1°C 的分辨率監(jiān)視電池溫度 （參見圖 3）。結合 4 個可用的浮置電壓設定值和 15 個電池充電電流設定值，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 的預置溫度跳變點

　　通過一個簡單的兩線 I2C 端口可獲得 NTC ADC 的結果，從而能調(diào)節(jié)充電電流和電壓的設定值。該 I2C 端口通過控制 16 個輸入電流的設定值 （包括 USB 2.0 和 3.0 兼容設置），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)先級多路復用器可根據(jù)用戶定義的優(yōu)先級 （默認的優(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 （OVP） 電路同時保護兩個輸入，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，便攜式設備的設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)增加了極大的負擔。大多數(shù)電池充電器都利用降壓型 （開關或線性） 架構，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。設計一款應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 轉換器以及一個理想二極管或多路復用電路。

　　強大的充電解決方案提供無與倫比的靈活性

　　LTC4000 可將任何外部補償?shù)?DC/DC 電源轉換成具電源通路 （PowerPath?） 控制的全功能電池充電器。可由 LTC4000 驅(qū)動的典型 DC/DC 轉換器拓撲包括但不限于：降壓、升壓、降壓-升壓、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，實現(xiàn)了與各種不同的輸入電壓源、以及不同尺寸和化學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 拓撲結合，LTC4000 的高壓能力還允許該器件構成強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載，LTC4000 采用了一種智能電源通路拓撲，當輸入功率有限時，該拓撲可優(yōu)先為系統(tǒng)負載供電。LTC4000 控制外部 PFET，以提供低損耗反向電流保護、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