电池充电器在便携式电源产品中的使用趋势

背景便携式电源的使用范围很广，也很多样化。产品包括消耗uW级均匀功率的无线传感器节点以及可用小车推着的、电池包耗电数百瓦-时的医疗或数据采集系统。不过，尽管使用种类很多，依然出现了几个趋势，设计师日益要给产品供应更大的功率，以支持不断增多的功能，同时也在考虑如何用任何可用电源给电池充电。要满足第一种需求，就要提高电池容量。不幸的是，用户大多比较心急，容量提高以后，还非得在一个合理的时间内洋溢电，这就导致要增大充电电流。要满足第二种需求，就要求电池充电处理办法供应极大的灵活性。本文将更具体地讨论这些问题。

更大的功率考虑一下新式手持式设备，面向消费者的设备和工业设备都可能包括蜂窝电话调制解调器、Wi-Fi模块、蓝牙模块、大尺寸背光照分明示屏等等。很多手持式设备的电源架构都与蜂窝电话的非常相近。一般情况下，用一个3.7V的锂电池作为主电源，因为锂电池按重量和按体积的能量密度都很高(单位分别为Wh/kg和Wh/m3)。过去，很多大功率设备都采用7.4V锂电池，以降低电流要求，不过低价5V电源管理IC的上市已经促使越来越多的手持式设备采用了电压更低的架构。平板电脑很好地说明了这一点：一个典型的平板电脑有极多的功能以及非常大的显示屏(就便携式设备而言)。用3.7V电池供电时，其容量非得以数千毫安-小时计算。为了在几个小时内给这样一个电池洋溢电，要数千mA的充电电流。

然而，倘若没有大电流交流适配器，尽管充电电流这么高，也不能戒备消费者用USB端口给大功率设备充电的想法。为了满足这种需求，当交流适配器可用时，电池充电器非得能以大电流(>2A)充电，而在没有交流适配器可用时，电池充电器非得仍能高效地利用USB端口供应2.5W至4.5W功率。此外，器件非得保护敏感的下游低压组件免受可能出现过压情况所导致的损坏，同时非得无缝地将大电流从USB输入、交流适配器或电池传送到负载，并最大限度地降低功耗。另外，该IC还非得安全地管理电池充电算法，并监视关键的系统参数。

战胜单节电池供电的便携式产品在功率方面的挑战尽管看似不可能找到能满足上述要求的单个IC，不过看一下LTC4155，这是一个大功率、I2C控制的高效率电源通路(powerpath™)管理器、理想二极管控制器和锂电池充电器。该IC用来从各种5V电源高效地传送高达3A的电流，可出现超过3.5A的可用电流，以供电池充电和系统使用(参见图1)。LTC4155的效率为88%至94%，因此即使电流值这么大，该IC依然可以减轻热量预算限制(参见图2)。LTC4155的开关式电源通路拓扑无缝地管理从两种输入电源(例如一个交流适配器和一个USB端口)到设备中可再充电锂电池的配电，同时当输入功率有限时，优先为系统负载供电。

图1：LTC4155的典型使用电路

图2：LTC4155的典型效率

与典型的线性模式充电器相比，LTC4155中开关稳压器的用途就像一个变压器，准许VOUT上的负载电流超过输入电源吸取的电流，并极大地提高电池充电的可用功率。前述例子说明了LTC4155如何才能以高达3.5A的电流高效率地充电，以实现更快的充电时间。与一般的开关型电池充电器不同，LTC4155可即时接通工作，以确保即使电池没电或已深度放电，当一插上电源插头，系统电源也立即可用。

尽管是以很高的速率给电池充电，监视电池是不是安全也是很紧要的。当电池温度降至低于0°C或升至高于40°C[由一个外部负温度系数(NTC)热敏电阻测量]时，LTC4155将自动停止充电。除了这种自主式功能，LTC4155还供应一个7位扩展标度模数转换器(ADC)，以约莫1°C的辨别率监视电池温度(参见图3)。结合4个可用的浮置电压设定值和15个电池充电电流设定值，该ADC可基于电池温度来建立定制的充电算法。

图3：7位热敏电阻器ADC显示LTC4155的预置温度跳变点

通过一个简单的两线I2C端口可获得NTCADC的结果，从而能调节充电电流和电压的设定值。该I2C端口通过控制16个输入电流的设定值(包括USB2.0和3.0兼容设置)，还可供应USB兼容性。该通信总线准许LTC4155指示额外的状态信息，例如输入电源状态、充电器状态和故障状态。由于支持USBOTG，因此无需任何额外的组件，就可以反过来向USB端口供应5V电源。

LTC4155的双路输入、优先级多路复用器可依据用户含义的优先级(默认的优先级为适配器输入)自主地选择最适宜的输入(即墙上适配器或USB)。过压保护(OVp)电路同时保护两个输入，以免这些输入因无意间加上的高压或反向电压而损坏。LTC4155的理想二极管控制器保证即使输入功率不足或未供应输入功率时，也始终可向VOUT供应足够的功率。

就平板电脑、工业条码扫描器等很多便携式使用而言，能管理两个输入(例如USB和交流适配器)就足够了。不过，便携式设备的设计师一直在寻求用任何可用电源都能给电池充电的办法

多种输入源用户要用多种输入源给电池充电有几个原由。有些使用也许要摆脱电网的束缚，而靠太阳能电池板供电。另一些使用则可能要求能方便地用交流适配器、汽车电池或高压工业及电信电源充电。无论出于何种原由，这要求都给电池充电系统新增了极大的负担。大多数电池充电器都利用降压型(开关或线性)架构，用高于电池最高电压的电压源给电池充电。往日的充电器产品输入电压一般限制为约莫30V。这样的限制使设计师无法将电信电源或者具42V开路电压的太阳能电池板作为可行的输入电源。在有些情况下，希望使用的输入电源电压涵盖了高于和低于电池电压的范围。设计一款应对此类难题的处理办法通常要混合使用高精度的电流测试放大器、ADC、一个用于控制充电的微解决器、一个高性能DC/DC转换器以及一个理想二极管或多路复用电路。

强大的充电处理办法供应无与伦比的灵活性LTC4000可将任何外部补偿的DC/DC电源转换成具电源通路(powerpath™)控制的全功能电池充电器。可由LTC4000驱动的典型DC/DC转换器拓扑包括但不限于：降压、升压、降压-升压、SEpIC和反激式拓扑。该器件供应精确的输入和充电电流调节，在3V至60V的宽输入和输出电压范围内工作，实现了与各种不同的输入电压源、以及不同尺寸和化学组成的电池包的兼容性。由于该器件的通用型配置，因此其典型使用十分广泛，包括高功率电池充电器系统、高性能便携式仪器、电池后备系统、配有工业电池的设备以及笔记本/小型笔记本电脑。

除了可以与很多不同的DC/DC拓扑结合，LTC4000的高压能力还准许该器件构成强大和几乎可使用任何输入电源(参见图4和图5)的电池充电处理办法。为了确保来自这些输入的功率传送给适宜的负载，LTC4000采用了一种智能电源通路拓扑，当输入功率有限时，该拓扑可优先为系统负载供电。LTC4000控制外部pFET，以供应低损耗反向电流保护、电池的低损耗充电和放电以及即时接通工作，这样就可以确保即使在电池没电或深度放电时，当一插上电源，系统电源就能立即可用。外部测试电阻器供应输入电流和电池充电电流信息，从而使LTC4000能与涵盖mW至kW功率范围的转换器一起使用。

图4：LTC4000和LTC3789：6V至36VIN、4节5A锂电池充电器

图5：图4电路中系统负载为4A时效率随VIN的变化

LTC4000的全功能电池充电控制器可为各种化学组成的电池充电，包括锂离子/聚合物/磷酸、密封铅酸(SLA)和镍化学组成。该电池充电器还供应精确的电流测试功能，从而在大电流使用情况下准许较低的测试电压。

结论新式便携式产品设计师的工作极富挑战性，尤其是涉及到电源时。客户不断要求更多功能以导致要更大的功率，结果是电池越来越大。同时，客户希望可方便地用几乎任何可用的电源给这些电池充电。尽管便携式电源范畴的这些趋势造成了设计挑战，但是LTC4155和LTC4000让设计工作变得简单多了。在低压系统中，LTC4155高效率地供应高达3.5A的充电电流，而且供应很多高性能功能。LTC4000可构成强大的充电处理办法，而且几乎可使用任何输入，从而供应了无与伦比的性能和灵活性。

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