電源管理器簡化鋰離子電池充電過程

消費者對電池供電手持設(shè)備的小型化、低成本化以及通過接受多種輸入電源來實現(xiàn)易用性的需求對系統(tǒng)設(shè)計工程師帶來了諸多的挑戰(zhàn)。利用PowerPath電池管理器系列可以有效解決這些挑戰(zhàn)，它具有獨立的自主操作特性，能夠?qū)Χ喾N電源(如汽車適配器、FIReWIRe輸入、交流電適配器、USB端口和電池本身)之間的無縫切換實施高效管理。

對于如今的電池供電手持設(shè)備的系統(tǒng)設(shè)計工程師來說，他們所面臨的一些主要挑戰(zhàn)包括最大限度地降低功耗、最大限度地提高效率、簡化設(shè)計以及降低成本。

現(xiàn)今的許多便攜式電池供電電子產(chǎn)品可從交流電適配器、汽車適配器、USB端口或鋰離子/聚合物電池獲得電源。然而，對這些不同電源之間的電源路徑控制進(jìn)行自主管理具有極大的技術(shù)挑戰(zhàn)性。一直以來，設(shè)計師們都試圖采取“分立”的方式來完成該功能，即采用大量MOSFET、運算放大器和其他的分立元件，但其間遇到了有可能引發(fā)重大系統(tǒng)問題的熱插拔和大涌入電流等難題。近來，即使是分立IC解決方案也需要采用多顆芯片來實現(xiàn)一個實用的解決方案，而集成化的電源管理器IC則能夠輕易地解決這些問題。此外，IC的自主獨立操作還免除了增設(shè)一個用于實現(xiàn)充電終止功能的外部微處理器的需要，從而進(jìn)一步地簡化了設(shè)計。

當(dāng)采用諸如FIReWIRe、未穩(wěn)壓的高電壓(>5.5V)交流電適配器和汽車適配器時，適配器的電壓源和手持設(shè)備中的電池之間的電壓差非常大。因此，線性充電器也許不能夠解決高功耗的問題，而采用開關(guān)模式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的IC卻能夠改善效率，并減輕熱管理問題。值得注意的是，當(dāng)采用USB、鋰離子/聚合物電池或輸入低于5.5V的適配器來供電時，線性充電器/電源管理器是更加合適的選擇。

PowerPath控制

具有PowerPath控制功能的器件可從USB VBUS或交流電適配器電源來為其自身供電，并對其單節(jié)鋰離子電池進(jìn)行充電。為了確保一個滿充電電池在連接總線時處于未被使用過的狀態(tài)，該IC通過USB總線來直接向負(fù)載供電，而不是從電池獲取功率。一旦電源拿掉，則電流將通過一個內(nèi)部低損耗理想二極管從電池流至負(fù)載，從而最大限度地減少了壓降和功耗。

PowerPath控制的特點：

1. 從USB電源、交流電適配器或電池獲得電能；

2. 向一個與OUT引腳相連的應(yīng)用電路以及一個與BAT引腳相連的電池輸送功率(假設(shè)接入了一個外部電源，而不是電池)；

3. 將對電池充電電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，以確保充電電流與負(fù)載電流之和不超過已設(shè)置的USB輸入電流限值；

4. 交流電適配器電流可通過一個外部器件(例如功率肖特基二極管或FET)連接至輸出(負(fù)載側(cè))；

5. 具備一項獨特功能，即可采用由交流電適配器提供電源的輸出在向負(fù)載供電的同時對電池進(jìn)行充電；

6. OUT引腳上的負(fù)載可優(yōu)先獲得USB輸入電流。

理想二極管

當(dāng)輸出/負(fù)載電流超過了輸入電流限值或輸入電源被拿掉時，一個低損耗理想二極管將從電池來提供電源。通過理想二極管(而不是把負(fù)載直接連接至電池)來給負(fù)載供電可使一個滿充電電池在外部電源拿掉之前保持滿充電狀態(tài)。一旦外部電源被移除，則輸出電壓下降，直到理想二極管被施加正向偏壓為止。加有正向偏壓的理想二極管隨后將從電池向負(fù)載提供輸出功率。理想二極管的正向壓降遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)二極管，而且其反向漏電流也更小。小幅的正向壓降減少了功耗和自發(fā)熱，從而延長了電池的使用壽命。

理想二極管具有以下的特點：

1. 當(dāng)輸出/負(fù)載電流超過輸入電流限值或當(dāng)輸入電源被拿掉時，理想二極管部件將從電池來提供電源；

2. 通過理想二極管(而不是把負(fù)載直接連接至電池)來給負(fù)載供電可使一個滿充電的電池在外部電源被拿掉之前保持滿充電狀態(tài)，并使得器件即使在采用一個完全耗盡的電池的情況下也能夠正常工作；

3. 一旦外部電源被移除，則輸出電壓下降，直到理想二極管被施加正向偏壓為止。被加有正向偏壓的理想二極管隨后將從電池向負(fù)載提供輸出功率；

4. 如果電池是僅有的可用電源或者負(fù)載電流超過了已設(shè)輸入電流限值，則電池將通過一個布設(shè)于BAT和OUT引腳之間的理想二極管電路自動地向負(fù)載輸送功率；

5. 理想二極管(以及OUT引腳上的推薦電容器)使得IC能夠在無需使用大的體電容器的情況下處理大的瞬變負(fù)載和交流電適配器或USB VBUS連接/斷接模式；

6. 低損耗理想二極管通過降低與電源路徑有關(guān)的IR壓降延長了電池的運行時間。

凌特公司的電源管理器IC系列解決了上述的設(shè)計問題。在該領(lǐng)域中，實現(xiàn)了該功能的兩款主要的新產(chǎn)品是LTC4085 USB電源管理器和高電壓電池充電器的LTC4089源管理器。

USB電源管理器——LTC4085

LTC4085是一款面向便攜式USB設(shè)備的單片式自主電源管理器、理想二極管控制器和獨立型線性電池充電器。LTC4085具有PowerPath控制功能，可從USB VBUS或交流電適配器電源來為系統(tǒng)負(fù)載供電，并對單節(jié)鋰離子/聚合物電池進(jìn)行充電。為了與USB電流限值規(guī)格相符合，LTC4085將在系統(tǒng)負(fù)載電流增加時自動減小電池充電電流。為了確保一個滿充電電池在連接總線時處于未被使用過的狀態(tài)，該IC通過USB總線來向負(fù)載輸送功率，而沒有采取從電池獲取功率的做法。一旦電源被拿掉，則電流將通過一個200mΩ內(nèi)部低損耗理想二極管從電池流至負(fù)載，從而最大限度地減少了壓降和功耗。提供了用于驅(qū)動一個可選的外部GATE PFET連接器件的板載電路，以便在應(yīng)用需要的情況下把理想二極管的總阻抗降至30mΩ以下。

LTC4085的獨特功能是可檢測交流電適配器的接入，并將其用作一種在向系統(tǒng)負(fù)載供電的同時給電池充電的備用電源。LTC4085還提供了一種在交流電適配器接入的情況下以高于USB規(guī)格容許值(100/500mA)的額定值(高達(dá)1.5A)來對電池進(jìn)行充電的選項，這樣便能夠大幅度地提高電池的充電速度。用于充電終止的總充電時間由一個外部電阻器來設(shè)置。當(dāng)充電電流減小時，充電定時器周期將自動延長，以確保電池始終處于滿充電狀態(tài)。額外的功能包括自動再充電、NTC熱敏電阻輸入、交流電適配器輸入被移除時自動切換至電池、涌入電流限制、反向電流隔離、欠壓閉鎖和熱調(diào)整。

LTC4085的浮動電壓預(yù)設(shè)為4.2V，0~85℃溫度范圍內(nèi)的保證準(zhǔn)確度為0.8%。充電電流可以很容易地利用一個電阻器來設(shè)置。對于電池預(yù)處理和適宜溫度充電認(rèn)證，將自動地以10%的編程電流對完全放電的電池進(jìn)行涓流充電，直到電池電壓超過2.8V為止。LTC4085應(yīng)用電路如圖1所示。

圖1：LTC4085 USB電源管理器應(yīng)用電路

便利性和高功率特點

LTC4089和LTC4089-5是面向便攜式USB設(shè)備的自主電源管理器、理想二極管控制器和獨立型高電壓、高效率電池充電器。為了實現(xiàn)高效充電，它們的開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可適應(yīng)各種輸入，包括高達(dá)36V(最大值為40V)的高電壓電源(例如12V交流電適配器、汽車適配器和FireWire端口)。此外，它們還接受諸如5V適配器和USB等低電壓電源。LTC4089-5具有PowerPath控制功能，可從USB總線或交流電適配器電源向設(shè)備供電，并對設(shè)備的單節(jié)鋰離子電池進(jìn)行充電，而且還可在采用一個電量耗盡或嚴(yán)重不足的電池情況下實現(xiàn)“即時接通”操作。LTC4089的典型應(yīng)用電路如圖2所示。

圖2：LTC408典型應(yīng)用電路

為了與USB電流限值規(guī)格相符合，LTC4089-5將在系統(tǒng)負(fù)載電流增加時自動減小電池充電電流。為了確保一個滿充電電池在連接總線時處于滿充電狀態(tài)終止，該IC通過USB總線來向負(fù)載輸送功率，而沒有采取從電池吸取功率的做法。一旦所有的電源均被拿掉，則電流將通過一個200mΩ內(nèi)部低損耗理想二極管從電池流至負(fù)載，因而最大限度地減少了壓降和功耗。提供了用于驅(qū)動一個可選的外部PFET的板載電路，以便在應(yīng)用需要的情況下把理想二極管的總阻抗降至30mΩ以下，從而進(jìn)一步提高了工作效率。

當(dāng)LTC4089-5的電源從一個USB端口來提供時，電源管理器可實現(xiàn)系統(tǒng)負(fù)載可用功率的最大化，即增加至2.5W(500mA×5V)的滿USB可用功率。而且，它將根據(jù)系統(tǒng)負(fù)載電流來自動地調(diào)節(jié)鋰離子/聚合物電池的充電電流，旨在保持總輸入電流與USB限值的一致性。

LTC4089的開關(guān)穩(wěn)壓器具有BAT-Track自適應(yīng)輸出控制功能，該功能極大地改善了其可提供1.2A充電電流的電池充電器的效率，因為開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出電壓自動地跟蹤電池電壓。LTC4089-5從高電壓輸入提供了一個固定的5V輸出，用于對單節(jié)鋰離子/聚合物電池進(jìn)行充電。該電池充電器的浮動電壓預(yù)設(shè)為4.2V，在0~85℃溫度范圍內(nèi)保證準(zhǔn)確度為1.0%。充電電流可以很容易地通過一個電阻器來設(shè)置。用于充電終止的總充電時間由一個外部電容器來設(shè)置，并提供了一個C/10充電電流檢測輸出。額外的功能包括自動熱調(diào)整、用于適宜溫度充電的NTC熱敏電阻輸入、電池的自動再充電、反向電流隔離和欠壓閉鎖。LTC4089-5采用扁平(高度僅0.75mm)的纖巧型22引腳6mm×3mm DFN封裝，且保證可在-40~85℃的溫度范圍內(nèi)正常工作。

BAT-Track自適應(yīng)輸出控制

LTC4089的AT-Track功能是自適應(yīng)輸出控制的一種形式。它是電池充電器和開關(guān)穩(wěn)壓器的集成，這樣，開關(guān)穩(wěn)壓器將僅產(chǎn)生支持電池充電器所需的足夠電壓，而不會產(chǎn)生多余的電壓。對于線性電源路徑產(chǎn)品，輸入電壓與電池電壓之差在充電過程中被作為熱量而損失掉了。

當(dāng)實現(xiàn)一個開關(guān)穩(wěn)壓器時，在轉(zhuǎn)換開關(guān)的兩端產(chǎn)生盡可能大的壓降是有利的，因為它可以高效地完成(從輸入吸收的電流小于輸送至充電器的電流)。BAT-Track功能負(fù)責(zé)檢測BAT電壓，并把開關(guān)穩(wěn)壓器輸出VOUT調(diào)節(jié)至比電池電壓VBAT高300mV，從而最大限度地減少了因功率損耗所導(dǎo)致的發(fā)熱，可對電池進(jìn)行適當(dāng)?shù)某潆姴⒆畲笙薅鹊亟档涂偣摹＿@極大地改善了電池充電器的效率。例如：當(dāng)充電電流IBAT=600mA、VBAT=3.7V且充電器輸入電壓VIN=5V時，充電器的效率(采用項代入法)為：100×POUT/(POUT＋PDIS)=100×(VBAT×IBAT) /(VBAT×IBAT＋PDIS)=100×(VBAT×IBAT)/(VIN×IIN)=(3.7V×600mA)/(5V×600mA)=74%。

反之，如果充電器輸入電壓比VBAT高300mV，則充電器的效率為：100×(VBAT×IBAT)/(VIN×IIN)=(3.7V×600mA)/((3.7V＋0.3V)×600mA)=92.5%。

這種效率差異將顯著地降低功耗。而且，如果電池過度放電和VBAT下降至過低的電壓值，則最小VOUT應(yīng)為3.6V，以確保系統(tǒng)負(fù)載能夠獲得一個足夠的電源電壓。