可采用任何5V 電源給高容量電池充電，同時保持低運(yùn)行溫度
便攜式電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員面臨著這樣的挑戰(zhàn)，就是要開發(fā)出既“無所不能”同時又可在一次電池充電之后“永久運(yùn)行”的設(shè)備。雖然不可能完全解決這一難題，但電池技術(shù)的逐代升級進(jìn)步至少是在逼近該目標(biāo)。由于許多便攜式設(shè)備目前已擁有了色彩鮮亮的大型觸感顯示屏、多內(nèi)核 CPU 和圖形處理器、以及各種各樣用于在地球任何地方實(shí)現(xiàn)高速通信的無線調(diào)制解調(diào)器，因此高容量電池是不可或缺的。電池制造商已憑借容量超過 30瓦特-小時 (Wh) 的輕量緊湊型電池滿足了上述要求。
雖然 USB 已成為設(shè)備互連、同步和數(shù)據(jù)交換的主導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)，但其功率輸送能力卻未能跟上電池的需求。USB 2.0 可允許 2.5W 的最大負(fù)載，USB 3.0 則將該限值提高至 4.5W。即使具有理想的效率，以及所有的電能都直接進(jìn)入電池，采用 USB 的完整充電周期仍然需要整個夜晚。雖然 USB 不適合用作大容量電池的主電源，但在可能的情況下幸好有這電源，所以其仍然具有極大的價(jià)值，并且當(dāng)設(shè)備與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)相連時，就可避免電池消耗。
兩全其美
LTC4155 是一款單片式開關(guān)電池充電器，可在緊湊的 PCB 占板面積內(nèi)高效地提供 3.5A 充電電流。圖 1 示出了典型應(yīng)用中所需的組件。2.25MHz 開關(guān)頻率允許使用小的電感器和旁路電容器，從而最大限度地縮減總體 PCB 占用面積。
圖 1：I2C 控制型高功率電池充電器 / USB 電源管理器
即使在充電電流達(dá)幾個安培的情況下，高效率 (圖 2) 也是至關(guān)緊要的，不僅對于實(shí)現(xiàn)可用輸入功率的最優(yōu)利用，對于控制便攜式設(shè)備內(nèi)部的功率耗散也是如此。在嚴(yán)密封閉的空間里，高功率耗散與勉強(qiáng)合格的散熱性能之組合將使一部采用低效充電解決方案的設(shè)備溫度過高，用戶拿在手里會很不舒服。為了幫助保持設(shè)備的低運(yùn)行溫度，LTC4155 的集成型電源開關(guān)具有遠(yuǎn)低于 100mΩ 的導(dǎo)通電阻。
圖 2：開關(guān)穩(wěn)壓器效率
雖然 LTC4155 的電源開關(guān)規(guī)格是為處理高于 USB 限值的電流而確定的，但 LTC4155 保持了與 USB 規(guī)范的全面兼容性以便提供充電。輸入電流在內(nèi)部自動測量，并被限制為 16 種 I2C 用戶可選值中的任一種。在這些設(shè)定值中，有 3 種對應(yīng)于保證的最大限值：100mA 和 500mA (對于 USB 2.0) 以及 900mA (對于 USB 3.0)。另外，通過選擇其他最大值高達(dá) 3A 的限流設(shè)定值中的任一種，自動輸入電流限制功能還可與 AC 適配器或其他電源配合使用。
LTC4155 支持一個可通過引腳設(shè)置的上電默認(rèn)輸入電流。對于那些不需要具備 USB 兼容性的高功率應(yīng)用，由連接至 CLPROG1 引腳的單個電阻器負(fù)責(zé)設(shè)置一個默認(rèn)的上電輸入電流。該電阻器的選擇旨在對應(yīng)一個最適合特定應(yīng)用以及預(yù)期電源能力等的初始電流限值。在上電之后，輸入電流限值可在 I2C 控制下修改為 16 種其他可用設(shè)定值 (高達(dá) 3A) 中的任一種。
對于 USB 應(yīng)用，可以把 CLPROG1 和 CLPROG2 引腳連接在一起，以將 LTC4155 設(shè)置為實(shí)施 USB 限流規(guī)則。當(dāng)施加外部電源時，輸入電流限值將默認(rèn)為 100mA。在采用 USB 主機(jī)控制器進(jìn)行了成功的枚舉之后，輸入限流設(shè)定值可在 I2C 控制之下適當(dāng)?shù)卦黾又?500mA 或 900mA。圖 3 示出了至系統(tǒng)負(fù)載和電池充電器的可用電流。請注意，開關(guān)穩(wěn)壓器輸出電流大于 USB 規(guī)范所限制的輸入電流。假如系統(tǒng)檢測出電源是一個 AC 適配器、專用 USB 充電器、或其他非 USB 型電源，則輸入限流設(shè)定值可在 I2C 控制下增加至任何其他設(shè)定值 (可高達(dá) 3A)。
圖 3：符合 USB 規(guī)范的可用負(fù)載電流 (在電池放電之前)
多個輸入連接器的無縫處理
LTC4155 可選擇接受來自兩個電源的輸入之一，從而解決了巧妙地將電源從兩個不同的物理連接器傳送至產(chǎn)品的難題。當(dāng)兩個輸入電源同時連接時，使用哪個電源的決定基于一種可由用戶自行設(shè)置的優(yōu)先級。只要每個輸入電壓都處在有效的工作范圍之內(nèi)，那么選擇其中任何一個都是可以的，無需理會究竟哪個的電壓更高。例如：這使得一個 4.5V/2A AC 適配器的優(yōu)先級高于一個 5V/500mA USB 端口。如果 USB 連線被移除，而將一個 5V/3A AC 適配器連接至相同的端口，則輸入電源優(yōu)先級可通過 I2C 進(jìn)行修改，以切換至功率較高的新電源。
LTC4155 支持其兩個電源輸入各具有獨(dú)立的 I2C 可編程輸入電流限值。當(dāng)優(yōu)先級較高的輸入電源斷接時，充電將會不間斷地繼續(xù)進(jìn)行，并自動減小至新的較低最大輸入電流限值。無需系統(tǒng)微控制器直接干預(yù)處理。
視針對輸入多路復(fù)用器所選擇的外部組件的不同，如果應(yīng)用需要，則可輕松實(shí)現(xiàn)高達(dá) ±77V 的過壓和反向電壓保護(hù)。此外，LTC4155 還能為 USB 連接器產(chǎn)生一個 USB On-The-Go 5V電流限制電源，而無需使用任何附加的外部組件。
豐富的可編程性和遙測用于實(shí)現(xiàn)高級充電算法
LTC4155 提供了連續(xù) I2C 狀態(tài)報(bào)告功能，從而使系統(tǒng)軟件能全面了解輸入電源的狀態(tài)、故障情況、電池充電循環(huán)狀態(tài)、電池溫度和多項(xiàng)其他性能參數(shù)。
主要的充電參數(shù)可在 I2C 控制下變更，以執(zhí)行定制的充電算法。與基于微控制器的充電算法或其他可編程型充電算法不同，LTC4155 在軟件 I2C 控制下可使用的所有可能之設(shè)定值均針對了電池的本質(zhì)安全性。浮置電壓絕對不能設(shè)置在 4.2V 以上或 4.05V 以下。同樣，電池充電電流可設(shè)置為 15 種可能的設(shè)定值之一，但是軟件絕對不可以把限值提升至高于設(shè)計(jì)師所設(shè)定的水平 — 通過一個選擇用于使電池容量與最大充電速率相匹配的編程電阻器。
可向系統(tǒng)軟件提供連續(xù)的電池溫度數(shù)據(jù)，以動態(tài)地調(diào)整系統(tǒng)或充電器的運(yùn)行狀態(tài)，從而應(yīng)對極端的操作困境。例如：可在 I2C 控制下減低浮置電壓和 / 或充電電流，以增加高環(huán)境溫度下的電池安全裕量。同樣，充電電流或總系統(tǒng)負(fù)載電流也可隨高溫而減小，以降低產(chǎn)品外殼內(nèi)部的額外發(fā)熱。
與電池充電器可編程性的所有其他方面一樣，LTC4155 實(shí)現(xiàn)了一款無需任何軟件干預(yù)的本質(zhì)安全充電解決方案。當(dāng)電池溫度降至 0°C 以下或升至 40°C 以上時，電池充電始終暫停。此外，當(dāng)電池溫度上升至高于 60°C 時，還可以選擇產(chǎn)生一個故障中斷。圖 4 示出了 LTC4155 電池溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)移函數(shù)，并對自主型充電器切斷溫度門限做了突出顯示。
圖 4：LTC4155 電池溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)移函數(shù) (突出顯示了自主型充電器切斷溫度門限)
電源通路即時接通型操作
在傳統(tǒng)電源架構(gòu)中，大多數(shù)便攜式產(chǎn)品都是直接與電池相連的，因此失效電池會特別容易引發(fā)故障。當(dāng)電池電壓過低以至于系統(tǒng)無法運(yùn)行時，產(chǎn)品有可能表現(xiàn)出無響應(yīng)狀態(tài)，甚至在連接至某個輸入電源達(dá)數(shù)分鐘之后仍然如此，這可能因此而導(dǎo)致很多查詢電話。當(dāng)電池容量與可用充電電流相比非常大的時候 (例如：采用大容量電池的 USB 供電型系統(tǒng))，這個問題將進(jìn)一步復(fù)雜化。
凌力爾特的 PowerPath™ 產(chǎn)品 (比如：LTC4155) 將系統(tǒng)電源軌與電池分隔開來，以實(shí)現(xiàn)即時接通型操作，并解決由深度放電電池所引起的兩個最令人困擾的問題。
第一個問題是：當(dāng)系統(tǒng)電源軌直接連接至電池時，充電電流與系統(tǒng)負(fù)載變得難以區(qū)分。當(dāng)電池深度放電時，在電池電壓達(dá)到某個較為安全的水平之前，電池制造商建議用戶使用一個大為減小的初始充電電流。假設(shè)最小或沒有系統(tǒng)負(fù)載電流，必須對于電池將該涓流充電電流設(shè)置在一個安全的水平。
其次，在直接連接型電池系統(tǒng)中，倘若系統(tǒng)在涓流充電期間可供使用，則準(zhǔn)備用于電池的充電電流有很大部分將被分流至系統(tǒng)電源軌。因此而減小的電池充電電流將使恢復(fù)時間相應(yīng)地延長。一個巨大的系統(tǒng)負(fù)載會導(dǎo)致凈電池電流反向，從而使電池進(jìn)一步放電。在這種低電池電量情況下，便攜式系統(tǒng)有可能因?yàn)橄到y(tǒng)電源軌上的電壓不足而無法對用戶的操作做出響應(yīng)。由于可提供給共接式電池和系統(tǒng)電源軌的功率有所降低，因此無響應(yīng)的持續(xù)時間至少將增加 10 倍。
當(dāng)電池深度放電時，LTC4155 可為系統(tǒng)電源軌提供 3.5V 電壓，以實(shí)現(xiàn)即時啟動。由于電池電壓在預(yù)充電階段上升，因此 LTC4155 無縫和自動地轉(zhuǎn)換至一種效率較高的模式，以加快充電速度并最大限度地抑制熱量的產(chǎn)生。圖 5 示出了可提供給系統(tǒng)電源軌的電壓與電池電壓的函數(shù)關(guān)系。
圖 5：VOUT 電壓與電池電壓的關(guān)系曲線
LTC4155 電池充電電流的設(shè)置獨(dú)立于輸入電流限值，旨在消除電池充電電流限制條件與輸入功率限制條件之間的相互影響。輸入電流限值可以僅根據(jù)輸入電源的限制條件進(jìn)行設(shè)置。同樣，電池充電電流也可以只依據(jù)電池容量來設(shè)置。LTC4155 始終執(zhí)行輸入電流限值，并在需要的情況下使“為系統(tǒng)負(fù)載供電”的優(yōu)先級高于“電池充電”。
面對非理想電源時的堅(jiān)固性
當(dāng)輸入電壓開始下降至一個不可接受的水平時，LTC4155 將自動減小輸入電流。在高充電電流水平下，如果采用尺寸過小的導(dǎo)線經(jīng)由輕微腐蝕的連接器連接至尺寸過小的適配器，或者任何數(shù)目的條件超出了慣常的設(shè)計(jì)范圍，就會出現(xiàn)上述狀況。
倘若不加干預(yù)，那么 IC 的輸入電壓將繼續(xù)下降，并最終降至欠壓閉鎖門限以下。IC 隨后將停機(jī)，允許輸入電壓恢復(fù)并重新起動整個循環(huán)過程。LTC4155 在糟糕的情況下做到了最好。當(dāng)輸入電壓降至 4.3V 時，LTC4155 可使其輸入功率按照需要的額度平穩(wěn)地減低，以避免輸入電壓的進(jìn)一步下降。在該模式中，雖然輸送至系統(tǒng)負(fù)載和電池的電流小于編程值，但假如允許輸入電壓振蕩繼續(xù)下去，那么這個數(shù)值將會更小。此外，LTC4155 還可產(chǎn)生一個 I2C 狀態(tài)報(bào)告和任選的中斷信號，以提醒系統(tǒng)：終端用戶可能需要采取校正或診斷措施以恢復(fù)最大充電電流能力。
結(jié)論
LTC4155 實(shí)現(xiàn)了高電流能力和高效率與小巧單片式 PCB 占板面積的完美組合，非常適合于采用大型鋰電池的便攜式設(shè)備，在此類設(shè)備中，非常重視板級空間，同時希望盡量減少發(fā)熱量和充電時間�？杉嫒� USB 規(guī)范的輸入限流設(shè)定值進(jìn)一步擴(kuò)展了通用性，允許利用無處不在但功率較低的電源提供充電。大量的遙測可實(shí)現(xiàn)基于變化的環(huán)境或應(yīng)用條件之定制運(yùn)行狀態(tài)，而并未犧牲自備的電池安全性。盡管面對著諸如電池深度放電或阻性輸入電源電纜尺寸過小等常見問題，但仍然能夠不間斷地向系統(tǒng)電源軌輸送功率。LTC4155 采用的是 28 引腳 4mm x 5mm QFN 封裝。 |
