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(gè) 3.7V 的鋰離子電池作為主電源，因?yàn)殇囯x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(guò)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(guò)低價(jià) 5V 電源管理 IC 的上市已經(jīng)促使越來(lái)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(shuō)明了這一點(diǎn)：一個(gè)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(shí)，其容量必須以數(shù)千毫安-小時(shí)計(jì)算。為了在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)給這樣一個(gè)電池充滿電，需要數(shù)千 mA 的充電電流。

然而，如果沒(méi)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(shí)，電池充電器必須能以大電流 (>2A) 充電，而在沒(méi)有交流適配器可用時(shí)，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(guò)壓情況所導(dǎo)致的損壞，同時(shí)必須無(wú)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(gè) IC，不過(guò)看一下 LTC4155，這是一個(gè)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(lái)從各種 5V 電源高效地傳送高達(dá) 3A 的電流，可產(chǎn)生超過(guò) 3.5A 的可用電流，以供電池充電和系統(tǒng)使用 (參見(jiàn)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(jiàn)圖 2)。LTC4155 的開(kāi)關(guān)式電源通路拓?fù)錈o(wú)縫地管理從兩種輸入電源 (例如一個(gè)交流適配器和一個(gè) USB 端口) 到設(shè)備中可再充電鋰離子電池的配電，同時(shí)當(dāng)輸入功率有限時(shí)，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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的作用就像一個(gè)變壓器，允許 VOUT 上的負(fù)載電流超過(guò)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(shuō)明了 LTC4155 怎樣才能以高達(dá) 3.5A 的電流高效率地充電，以實(shí)現(xiàn)更快的充電時(shí)間。與普通的開(kāi)關(guān)型電池充電器不同，LTC4155 可即時(shí)接通工作，以確保即使電池沒(méi)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(gè)外部負(fù)溫度系數(shù) (NTC) 熱敏電阻測(cè)量] 時(shí)，LTC4155 將自動(dòng)停止充電。除了這種自主式功能，LTC4155 還提供一個(gè) 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(jiàn)圖 3)。結(jié)合 4 個(gè)可用的浮置電壓設(shè)定值和 15 個(gè)電池充電電流設(shè)定值，該 ADC 可基于電池溫度來(lái)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(guò)一個(gè)簡(jiǎn)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(guò)控制 16 個(gè)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(wú)需任何額外的組件，就可以反過(guò)來(lái)向 USB 端口提供 5V 電源。

LTC4155 的雙路輸入、優(yōu)先級(jí)多路復(fù)用器可根據(jù)用戶定義的優(yōu)先級(jí) (默認(rèn)的優(yōu)先級(jí)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(guò)壓保護(hù) (OVP) 電路同時(shí)保護(hù)兩個(gè)輸入，以免這些輸入因無(wú)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(shí)，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(gè)輸入 (例如 USB 和交流適配器) 就足夠了。不過(guò)，便攜式設(shè)備的設(shè)計(jì)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(gè)原因。有些應(yīng)用也許需要擺脫電網(wǎng)的束縛，而靠太陽(yáng)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(wú)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(kāi)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(jì)師無(wú)法將電信電源或者具 42V 開(kāi)路電壓的太陽(yáng)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(jì)一款應(yīng)對(duì)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(cè)放大器、ADC、一個(gè)用于控制充電的微處理器、一個(gè)高性能 DC/DC 轉(zhuǎn)換器以及一個(gè)理想二極管或多路復(fù)用電路。

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強(qiáng)大的充電解決方案提供無(wú)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(dòng)的典型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器拓?fù)浒ǖ幌抻冢航祲骸⑸龎?、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(shí)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(jiàn)圖 4 和圖 5) 的電池充電解決方案。為了確保來(lái)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)洌?dāng)輸入功率有限時(shí)，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(shí)接通工作，這樣就可以確保即使在電池沒(méi)電或深度放電時(shí)，當(dāng)一插上電源，系統(tǒng)電源就能立即可用。外部檢測(cè)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

圖 5：圖 4 電路中系統(tǒng)負(fù)載為 4A 時(shí)效率隨 VIN 的變化

LTC4000 的全功能電池充電控制器可為各種化學(xué)組成的電池充電，包括鋰離子 / 聚合物 / 磷酸、密封鉛酸 (SLA) 和鎳化學(xué)組成。該電池充電器還提供精確的電流檢測(cè)功能，從而在大電流應(yīng)用情況下允許較低的檢測(cè)電壓。

結(jié)論

新式便攜式產(chǎn)品設(shè)計(jì)師的工作極富挑戰(zhàn)性，尤其是涉及到電源時(shí)?？蛻舨粩嘁蟾喙δ芤詫?dǎo)致需要更大的功率，結(jié)果是電池越來(lái)越大。同時(shí)，客戶希望可方便地用幾乎任何可用的電源給這些電池充電。盡管便攜式電源領(lǐng)域的這些趨勢(shì)造成了設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，但是 LTC4155 和 LTC4000 讓設(shè)計(jì)工作變得簡(jiǎn)單多了。在低壓系統(tǒng)中，LTC4155 高效率地提供高達(dá) 3.5A 的充電電流，而且提供很多高性能功能。LTC4000 可構(gòu)成強(qiáng)大的充電解決方案，而且?guī)缀蹩墒褂萌魏屋斎?，從而提供了無(wú)與倫比的性能和靈活性。