背景
通過(guò) I2C 總線傳送數(shù)據(jù)的應(yīng)用已經(jīng)成熟，不過(guò)支持這種接口的電源管理 IC 極少。I2C 是一種簡(jiǎn)單的小帶寬、短距離、兩線總線，這種總線不需要芯片選擇或判優(yōu)邏輯。這種協(xié)議提供內(nèi)置的設(shè)備尋址、一個(gè)讀/寫(xiě)標(biāo)志和一種簡(jiǎn)單的確認(rèn)機(jī)制，以確認(rèn)數(shù)據(jù)接收。它是一種非常簡(jiǎn)單和具有成本優(yōu)勢(shì)的數(shù)據(jù)串傳送方法。
USB 端口也是一種傳送高速數(shù)據(jù)的流行方法，這種端口已經(jīng)成為便攜式設(shè)備電池充電的首選方法，從而使單獨(dú)的交流適配器成為可選配件。不過(guò)，采用 USB 端口充電時(shí)，有功率限制。模擬 IC 中的電源通路 (PowerPathTM) 充電系統(tǒng)拓?fù)湎诉@些限制，從而為系統(tǒng)設(shè)計(jì)師和最終產(chǎn)品用戶提供了無(wú)數(shù)好處，例如能夠自主和無(wú)縫地管理多個(gè)電源，以支持系統(tǒng)負(fù)載和給電池充電，同時(shí)從 USB 端口抽取最大功率。這種 IC 拓?fù)錅p少了熱量、使充電時(shí)間更短并提供即時(shí)接通工作。
盡管技術(shù)已經(jīng)改進(jìn)了，但是便攜式設(shè)備的電池仍然需要保護(hù)和調(diào)理，以使它們以最佳狀態(tài)運(yùn)行。鋰離子/聚合物電池一些潛在的有害問(wèn)題包括超過(guò)浮置電壓 (不恰當(dāng)?shù)亟K止充電周期) 、很高的充電量、以及高壓和高溫同時(shí)出現(xiàn)。
設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
消費(fèi)者需要短的電池充電時(shí)間，對(duì)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，提高充電電流似乎是一個(gè)顯然的選擇。但是這引起了兩個(gè)主要弊端。首先，如果用線性充電器，提高的電流導(dǎo)致功耗增加，而功耗轉(zhuǎn)化為熱量。其次，視主器件商所定模式的不同，充電器必須將從 5V USB 總線吸取的電流限制到 100mA (500mW) 或 500mA (2.5W)。在充電過(guò)程中浪費(fèi)的任何功率都直接導(dǎo)致更長(zhǎng)的充電周期時(shí)間和熱量增加。這種對(duì)高效率充電的需求，加之電池充電器 IC 所需的高功能集成度，以及節(jié)省電路板空間和提高產(chǎn)品可靠性的需求，施加了極大的設(shè)計(jì)壓力。
鋰離子/聚合物化學(xué)組成的電池提供便攜式電子設(shè)備必需的高性能功能，但是這些電池必須謹(jǐn)慎對(duì)待。例如，如果充電至比推薦的浮置電壓高 100mV，那么鋰離子/聚合物電池可能變得不穩(wěn)定。此外，高壓和高溫同時(shí)存在會(huì)對(duì)電池產(chǎn)生有害影響，在極端情況下，可能會(huì)毀壞電池。隨著便攜式產(chǎn)品變得更加復(fù)雜，功耗提高了，從而需要容量更高的電池。大容量電池或者需要更大的充電電流，或者需要延長(zhǎng)充電時(shí)間，以達(dá)到滿容量。另外，由于 USB 兼容的電池充電對(duì)用戶來(lái)說(shuō)更方便，因此成為首選。不過(guò)，如前所述，這種兼容性造成了在 5V 時(shí) 500mA 電流的限制 (最大功率 2.5W)，從而限制了從 USB 端口吸取的功率。所以，一個(gè)基于 USB 的電池充電器必須盡可能高效率地從 USB 端口抽取盡可能多的功率，以最大限度地減少最終產(chǎn)品內(nèi)的任何熱限制，同時(shí)向負(fù)載提供最大功率。
管理最終產(chǎn)品內(nèi)的電源通路也是一個(gè)極大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。在今天的電池供電型便攜式電子產(chǎn)品中，很多可以用諸如 5V 交流適配器、USB 端口或鋰離子/聚合物電池等低壓電源以及高壓電源供電。不過(guò)，自主管理這些不同的電源和電池之間的電源通路 (同時(shí)向負(fù)載供電) 造成了巨大的技術(shù)難題。傳統(tǒng)上，通過(guò)使用少量 MOSFET、運(yùn)算放大器和其它組件，設(shè)計(jì)師試圖以分立方式實(shí)現(xiàn)這一功能，但是面臨著熱插拔、大浪涌電流和負(fù)載上高電壓瞬態(tài)等巨大的難題，這可能引起大的系統(tǒng)可靠性問(wèn)題。
除了電源通路管理，命令控制是另一個(gè)設(shè)計(jì)問(wèn)題。極少有行業(yè)電源管理 IC 提供 I2C 控制功能，但是在很多新式便攜式產(chǎn)品中，支持遙測(cè) (雙向通信和控制) 的需求在增加。迄今為止，這種功能一般都是與電源管理 IC 一起在外部實(shí)現(xiàn)。不過(guò)，這種趨勢(shì)正在改變，因?yàn)閷?shí)現(xiàn)方法正在得到簡(jiǎn)化。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的主要挑戰(zhàn)可以總結(jié)如下：
• 在高溫和滿充電電壓情況下，最大限度地延長(zhǎng)電池壽命和提高安全性
• 集成可編程性和遙測(cè)功能，以縮短設(shè)計(jì)和調(diào)試時(shí)間，并提高靈活性和電源管理系統(tǒng)的可見(jiàn)性
• 管理多個(gè)輸入電源和電池之間的電源通路，同時(shí)向負(fù)載供電
• 最大限度地提高從 USB 端口提供的電流 (可獲得 2.5W)
• 最大限度地減輕熱量問(wèn)題，同時(shí)快速充電
• 最大限度地提高充電效率和延長(zhǎng)電池使用壽命
• 最大限度地減小解決方案占板面積和高度
一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案
滿足上述電池充電器 IC 設(shè)計(jì)限制的任何解決方案都必須是緊湊、單片 IC，并具有通過(guò)I2C 總線實(shí)現(xiàn)的自主電源管理功能以及多種回讀和可編程性功能 (雙向通信和控制)。這樣的器件還需要保護(hù)和獲得鋰離子/聚合物電池的最高性能。
此外，電源通路管理器的主要目標(biāo)是，不管可獲得的是什么電源 (輸入電源或電池)，都可以用其為系統(tǒng)供電，同時(shí)次要目標(biāo)是，在必要時(shí)給電池充電。在線性和開(kāi)關(guān)拓?fù)渲卸伎赡芸吹脚c電源通路管理器集成的電池充電器，因?yàn)橐暰唧w充電要求的不同，這兩種拓?fù)涿恳环N都可能對(duì)系統(tǒng)有利。盡管在高效率傳送系統(tǒng)功率方面，線性電源通路架構(gòu)比電池饋送系統(tǒng)有優(yōu)勢(shì)，但是功率在線性電池充電器單元有損失，尤其是在電池電壓很低的情況時(shí) (由于輸入電壓和電池電壓之間大的壓差)。
開(kāi)關(guān)模式電源通路系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)
基于開(kāi)關(guān)模式的電源通路架構(gòu)通過(guò)一個(gè) USB 兼容的降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)生一個(gè)中間總線電壓，該降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器穩(wěn)定在比電池電壓略高一點(diǎn)的電壓上，參見(jiàn)圖 1。凌力爾特公司將這種自適應(yīng)輸出控制形式稱為電池跟蹤 (Bat-TrackTM)。這個(gè)穩(wěn)定的中間電壓剛好足夠高，以允許通過(guò)內(nèi)部線性充電器進(jìn)行恰當(dāng)?shù)某潆�。不過(guò)，通過(guò)以這種方式跟蹤電池的電壓，最大限度地減少了損失在線性電池充電器中的功率，從而減少了熱量，并確保最大限度地增大提供給負(fù)載的功率。這種開(kāi)關(guān)架構(gòu)具平均輸入電流限制，最大限度地提高了充分利用可從 USB 電源獲得 2.5W 功率的能力。一個(gè)可選外部 PFET 降低了電池和負(fù)載之間的理想二極管阻抗，從而進(jìn)一步減少了熱量。這種架構(gòu)對(duì)于具有大容量 (>1.5Ahr) 電池的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是必需的。
圖 1：簡(jiǎn)化的開(kāi)關(guān)電源通路電路
TO AUTOMOTIVE, FIREWIRE, ETC.：至汽車、Firewire 等
HIGH VOLTAGE STEP-DOWN SWITCHING REGULATOR：高壓降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器
OVERVOLTAGE PROTECTION：過(guò)壓保護(hù)
Bat-Track HV CONTROL：電池跟蹤 HV 控制
FROM USB OR WALL ADAPTER：自 USB 或交流適配器
TO SYSTEM LOAD：至系統(tǒng)負(fù)載
PWM AND GATE DRIVE：PWM 和柵極驅(qū)動(dòng)
CONSTANT-CURRENT CONSTANT-VOLTAGE BATTERY CHARGER：
恒定電流恒定電壓電池充電器
IDEAL DIODE：理想二極管
OPTIONAL EXTERNAL IDEAL DIODE：可選外部理想二極管
AVERAGE INPUT CURRENT LIMIT CONTROLLER：平均輸入電流限制控制器
AVERAGE OUTPUT VOLTAGE LIMIT CONTROLLER：平均輸出電壓限制控制器
SINGLE-CELL ：?jiǎn)喂?jié)電池
Li-Ion：鋰離子
高效率充電與完全 I2C 控制相結(jié)合
LTC4099 是一個(gè) I2C 自主控制的高效率電源管理器、鋰離子/聚合物電池充電器，用于便攜式 USB 供電設(shè)備，例如媒體播放器、數(shù)碼相機(jī)、個(gè)人導(dǎo)航設(shè)備、智能電話、以及工業(yè)和醫(yī)療用手持式設(shè)備。LTC4099 的開(kāi)關(guān)電源通路拓?fù)錈o(wú)縫地管理交流適配器或 USB 端口和設(shè)備電池之間的電源通路，同時(shí)優(yōu)先向系統(tǒng)負(fù)載供電。對(duì)于汽車、Firewire 或其它高壓應(yīng)用而言，LTC4099 提供對(duì)一個(gè)伴隨開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的電池跟蹤控制，從而最大限度地提高電池充電器效率，并降低功耗。例如，當(dāng)與 LT3653 配合使用時(shí) (LT3653 提供直至高達(dá) 30V 的輸入電壓，并可承受 60V 瞬態(tài))，LTC4099 在 USB 和更高電壓的電源之間提供無(wú)縫轉(zhuǎn)換。LTC4099 采用 20 引腳 3mm x 4mm QFN 封裝，保證在 -40C 至 85C 的溫度范圍內(nèi)工作。
LTC4099 提供很多其它功能。它用一個(gè)過(guò)壓保護(hù) (OVP) 電路防止偶然加在 USB 輸入上的高壓引起的損壞 ―― 用一個(gè)外部 NFET/電阻器組合提供高達(dá) 66V 的保護(hù)，參見(jiàn)圖 2 以獲得詳細(xì)信息。另外，LTC4099 的“即時(shí)接通”工作確保加電后系統(tǒng)負(fù)載供電，甚至在電池深度放電時(shí)也一樣。其內(nèi)置理想二極管保證，即使 LTC4099 輸入引腳的功率不充足，VOUT 也總是能獲得充足的功率。該器件的理想二極管控制器可用來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè)可選 PFET 的柵極，從而將負(fù)載和電池之間的阻抗降至 30mΩ 或更低。
圖 2：LTC4099 的簡(jiǎn)化方框圖
I2C 控制的高效率電池充電器/USB 電源管理器
OVERVOLTAGE PROTECTION：過(guò)壓保護(hù)
TO µCONTROLLER：至微控制器
SYSTEM LOAD：系統(tǒng)負(fù)載
完全 I2C 控制
LTC4099 具有相當(dāng)高的內(nèi)置可調(diào)節(jié)性，以便通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的兩線 I2C 端口控制和監(jiān)視功率值和狀態(tài)信息。
可通過(guò) I2C 編程設(shè)定的參數(shù) (能夠激活)：
• 平均輸入電流限制
• 充電電流
• 電池浮置電壓：4.1V 或 4.2V
• 充電終止定時(shí)器：1 至 8 小時(shí)，以 1 小時(shí)為增量
• 充電終止指示電流
• 充電器禁止/重啟
• 電池查驗(yàn)及調(diào)理電路啟動(dòng)
• 熱調(diào)節(jié)設(shè)定點(diǎn)：+85°C 或 +105°C
• 暫停 LDO 輸入電流：500µA 或 2.5mA
通過(guò) I2C 提供的指示/回讀遙測(cè)參數(shù)：
• USB 電源存在
• 交流電源存在
• 壞電池 (預(yù)充電門限)
• 熱調(diào)節(jié)中的充電器
• UVLO
• 充電器狀態(tài) (充電器 OFF、恒定電流)
• 滿容量充電 (C/x)
• 熱敏電阻狀態(tài) (溫度故障、電池太熱、電池太涼、溫度過(guò)高)
快速和高效率充電
LTC4099 的全功能單節(jié)鋰離子/聚合物電池充電器允許充電電流超過(guò)從 USB 端口吸取的電流，同時(shí)符合 USB 負(fù)載規(guī)范。就快速和高效率充電而言，該 IC 的開(kāi)關(guān)輸入級(jí)幾乎將可從 USB 端口獲得的 2.5W 功率全部轉(zhuǎn)換成電流，從而可從一個(gè) 500mA 限制的 USB 端口實(shí)現(xiàn)高達(dá) 600mA 的充電電流或 700mA 的系統(tǒng)負(fù)載電流，參見(jiàn)圖 3，以詳細(xì)了解與線性電池充電器 IC 相比時(shí)，功耗降低的情況。用交流適配器供電時(shí)，還可獲得高達(dá) 1.5A 的充電電流。就改進(jìn)安全裕度而言，可選用一個(gè)集成的過(guò)熱電池查驗(yàn)及調(diào)理電路來(lái)降低電池電壓，以防高電池溫度和高電池電壓同時(shí)出現(xiàn)。此外，該充電器包括熱限制、自動(dòng)再充電、具自動(dòng)充電終止和固定持續(xù)時(shí)間安全定時(shí)器的獨(dú)立工作、低壓涓流充電、壞電池單元檢測(cè)和一個(gè)用于溫度合格充電的熱敏電阻輸入。LTC4099 的一個(gè)額外的特點(diǎn)是具有一個(gè)暫停 LDO，當(dāng)某個(gè)設(shè)備被連接至一個(gè)暫停 USB 端口時(shí)，該 LDO 可在負(fù)載電流小于可用的 2.5mA 暫停電流的情況下防止電池漏電。
圖 3：功耗比較
功耗降低與線性電池充電器
POWER DISSIPATION：功耗
LINEAR BATTERY CHARGER：線性電池充電器
ADDITIONAL POWER AVAILABLE FOR CHARGING：充電可獲得的額外功率
SWITCHING BATTERY CHARGER：開(kāi)關(guān)電池充電器
BATTERY VOLTAGE：電池電壓
電池查驗(yàn)及調(diào)理電路
鋰離子/聚合物電池如果存放在高溫環(huán)境并完全充電，那么有效壽命會(huì)縮短。當(dāng)電池達(dá)到熱敏電阻測(cè)量的某個(gè)溫度時(shí)，LTC4099 內(nèi)的電池調(diào)理器電路就通過(guò)釋放一些電池能量，將電池電壓降至一個(gè)安全水平，以此用來(lái)保護(hù)電池免受損壞。電池查驗(yàn)器可以通過(guò) I2C 通道起動(dòng)或禁止 (默認(rèn))。熱敏電阻測(cè)量電路運(yùn)用一種采樣方法來(lái)實(shí)現(xiàn)超低功耗，以便可以啟動(dòng)電池查驗(yàn)器功能，而不會(huì)明顯地增大電池放電電流。通過(guò) I2C 端口啟動(dòng)時(shí)，無(wú)論是否可獲得外部電源，電池查驗(yàn)器都工作，而且不受充電器狀態(tài)影響。
如果熱敏電阻溫度達(dá)到 45°C，就禁止 LTC4099 的電池充電。如果熱敏電阻溫度上升至高于 60°C，而且啟動(dòng)了電池查驗(yàn)器電路，那么就給 BAT 引腳加上一個(gè)約為 180mA 的內(nèi)部負(fù)載。一旦電池電壓降至 3.9V，或熱敏電阻讀數(shù)降至低于 58°C，那么就禁止內(nèi)部負(fù)載。一旦熱敏電阻溫度降至低于 42°C，電池充電就恢復(fù)。
結(jié)論
電池供電型產(chǎn)品的設(shè)計(jì)師受到以下需求的挑戰(zhàn)：輸入電源便利性和高效率數(shù)據(jù)傳送以及快速充電、低功耗和 USB 兼容性。諸如高壓和高溫同時(shí)出現(xiàn)等情況可能對(duì)電池造成有害影響。同時(shí)，要求設(shè)計(jì)方案竭盡所能節(jié)省電路板空間、降低制造成本并提高產(chǎn)品可靠性。凌力爾特公司日益擴(kuò)大的開(kāi)關(guān)模式電源通路管理器 IC 系列使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)師的工作容易許多。這些 IC 能夠從 USB 端口抽取更多功率，無(wú)縫地管理不同輸入電源和電池之間的電源流動(dòng)，同時(shí)優(yōu)先向負(fù)載供電，通過(guò)運(yùn)用更少和更小的外部組件簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。LTC4099 滿足所有這些以及更多需求。它是一個(gè)自主開(kāi)關(guān)模式電源管理器 IC，提供基于 I2C 的遙測(cè)、快速 1.5A 充電能力、內(nèi)置充電終止、高壓工作和電池查驗(yàn)及調(diào)理電路，所有這些功能都包含在一個(gè)簡(jiǎn)單和緊湊的解決方案中。 |
