便携式电源产品中的电池充电器发展趋势

背景

便携式电源应用领域宽泛而多样。产品涵盖了从平均功耗仅几μW的无线传感器节点到采用好几百瓦时电池组的车载式医疗或数据采集系统等众多门类。然而，尽管品种繁多，但它们却呈现出了相对一致的发展趋势━━设计人员不断地要求其产品拥有较高的功率以支持更多的功能，并指望能从任何可用的电源来给电池充电。第一个趋势要求新增电池容量。不幸的是，用户常常缺乏耐心，而且新增的电池容量必须要在合理的时间之内完成充电，这就必然导致充电电流的增大。第二个趋势则要求电池充电解决方法具有巨大的灵活性。我们将对这些问题逐个进行较为详细的探究。

更高的功率

新式的手持设备(无论是消费类设备还是工业设备)都有可能包括一个蜂窝电话调制解调器、一个WiFi模块、一个蓝牙模块、一个大型的背面照明显示器等等。许多手持式设备的电源架构都可通过蜂窝电话反映出来。通常，3.7V的锂离子电池因其很高的重量(Wh/kg)和体积(Wh/m3)能量密度而被用作主电源。过去，不少高功率密度设备都采用一个7.4V锂离子电池以降低电流需求，但廉价的5V电源管理IC的面市使得越来越多的手持式设备转而采用较低电压架构。平板电脑很好地体现了这一点━━标准的平板电脑拥有丰富的功能以及非常大(用于便携式设备)的屏幕。当采用一个3.7V电池来供电时，电池的容量必须达到几千mAh。为了能够在几个小时之内完成此类电池的充电，要几千mA的充电电流。

然而，消费者同样希望能够在没有可用的大电流墙上适配器时从一个USB端口来为其高功率设备充电，这种愿望并未因为上述的高充电电流而被遏制。为了满足这些要求，在可以使用墙上适配器时，电池充电器必须要能够以高电流(2A)进行充电，但仍然可以高效地利用USB端口所供应的2.5W至4.5W功率。此外，产品还必需防止敏感的下游低电压组件遭受有可能造成损坏的过压，将高电流从一个USB输入、一个墙上适配器或电池无缝地引导至负载，并最大限度地降低功率损耗。与此同时，IC必须安全地管理电池充电算法并监视关键的系统参数。

解决单节电池供电型便携式产品的电源难题

尽管似乎无法找到单个IC来满足上述要求，但不妨考虑一下LTC4155，这是一款高功率、I2C控制、高效率powerpathTM管理器、理想二极管控制器和锂离子电池充电器。该器件设计用于从多种5V电源高效地输送高达3A的电流，可为电池充电及系统用途供应3.5A以上的电流。即使在这些高电流水平下，LTC4155的88%~94%效率仍然可使热预算限制条件有所放宽。LTC4155的开关powerpath拓扑结构可对从两个输入电源(比如：墙上适配器和USB端口)至设备的可再充电锂离子电池的功率输送进行无缝管理，并在输入功率有限时优先向系统负载供电。

LTC4155的开关稳压器起一个变压器的用途，允许VOUT上的负载电流超过输入电源所吸收的电流，与常用的线性模式充电器相比，大幅度地改善了电池充电可用功率的使用效率。如前面的例子所示，LTC4155能够以高达3.5A的电流进行高效充电，从而缩短充电时间。与普通的开关电池充电器不同，LTC4155具有即时接通操作能力，以确保在插入电源时可立即获得系统功率，即使所采用的是一个失效的电池或深度放电的电池也不例外。

在对电池进行高速充电时，监视电池的安全性是很重要的。LTC4155将在电池温度下降至0℃以下或上升至40℃以上(由一个外部负温度系数[NTC]热敏电阻负责测量)时自动停止充电。除了这种自主特性之外，LTC4155还供应了一个7位扩展标度模数转换器(ADC)，用于以大约1℃的分辨率来监视电池的温度。结合4种可用的浮置电压设定值和15种电池充电电流设定值，该ADC能够用于建立基于电池温度的定制充电算法。

通过一个简单的二线式I2C端口可获得NTCADC结果，从而据此调整充电电流和电压设定值。该I2C端口还通过控制16种输入电流限制设定值(包括可兼容USB2.0和3.0规格的设定值)供应了与USB规范的兼容性。通信总线允许LTC4155供应额外的状态指示信息，例如：输入电源状态、充电器状态和故障状态。USBOTG(On-The-Go)支持能力可在未采用任何附加组件的情况下供应一个返回USB端口的5V电源。

LTC4155的双输入、优先级多路复用器可根据用户含义的优先级(适配器输入是默认的优先选择)自主选择最合适的输入(墙上适配器或USB)。过压保护(OVp)电路用于同时保护两个输入免遭因意外施加高电压或反向电压而造成的损坏。LTC4155的理想二极管控制器可确保始终能够向VOUT供应足够的功率，即使输入功率不足或缺失也不例外。

关于诸如平板电脑或工业条形码扫描仪等许多便携式应用而言，管理两个输入(例如：USB和墙上适配器)就足够了。不过，便携式设备的设计人员仍在继续探寻能够从任何可用电源来给电池充电的方法。

多种输入电源

诸多原因导致用户希望从多种输入电源来给电池充电。某些应用有可能要脱离电网并指望由太阳能板来供电。其他的应用则希望拥有能够从墙上适配器、汽车电池或者高电压工业或电信电源进行充电的便利。不管是什么原因，这种要求都给电池充电系统施加了一个沉重的负担。大多数电池充电器均利用一种降压(开关或线性)架构从一个高于最大电池电压的电压电源来给电池充电。早先的充电器产品通常被限制于大约30V的输入电压。此类局限性导致设计人员无法考虑将电信电源作为可行的输入电源，或者采用具有42V开路电压的太阳能板。在某些场合中，期望输入电源的电压范围既会升至电池电压以上也会降至电池电压以下。设计旨在应对上述难题的解决方法通常要整合高精度的电流检测放大器、ADC、用于控制充电操作的微处理器、高性能的DC/DC转换器以及理想二极管或多路复用电路。凌力尔特公司推出了一款更加优越的解决方法。

功能强大且拥有无可比拟之灵活性的充电解决方法

LTC4000可将任何在外部补偿的DC/DC电源转换为一个全功能的电池充电器，并具有powerpathTM控制功能。LTC4000能够驱动的常用DC/DC转换器拓扑结构包括(但不限于)降压、升压、降压-升压、SEpIC和反激式。该器件供应了精准的输入电流和充电电流调节，并可在一个3V至60V的宽输入和输出电压范围内运作，因而与多种不同的输入电压电源、电池组尺寸和化学组成相兼容。由于这款器件采用了通用型配置，因此其典型应用范围十分广泛，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、配备电池的工业设备以及笔记本电脑/小型笔记本电脑等。

除了可支持多种不同的DC/DC拓扑结构之外，LTC4000的高电压能力还使其能够利用几乎任何输入电源来形成功能强大的电池充电解决方法。为了确保来自这些输入的功率能输送至合适的负载，LTC4000采用了一种智能powerpathTM拓扑结构，当输入功率有限时，该拓扑结构将优先向系统负载供电。LTC4000通过控制外部pFET来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型操作，以确保在插入电源时可立即获得系统功率，即使所采用的是一个失效的电池或深度放电的电池也不例外。外部检测电阻器可供应输入电流和电池充电电流信息，从而使得LTC4000能够与功率范围从几毫瓦到几千瓦的转换器一起使用。

LTC4000的全功能电池充电控制器可对多种电池化学组成进行充电，包括锂离子电池/锂聚合物电池/磷酸铁锂离子电池、密封铅酸电池(SLA)和镍电池等。另外，电池充电器还具有高精度的电流检测功能，可为高电流应用供应较低的检测电压。

结论

新式便携产品的设计师从事着极富挑战性的工作━━特别当其面对电源时。客户不断地追逐要消耗更多功率的功能，因而必需使用更大的电池。与此同时，客户还希望拥有从几乎所有的可用电源来给这些电池充电的便利。虽然便携式电源的上述发展趋势带来了设计难题，但LTC4155和LTC4000则使设计工作大为简化。在低电压系统中，LTC4155可高效供应高达3.5A的充电电流，并具有诸多高性能特性。LTC4000能够利用几乎任何输入来实现一款功能强大的充电解决方法，且拥有无与伦比的性能及灵活性。

图1：LTC4155的典型应用电路

图2：LTC4155的典型效率

图3：LTC400060V降压型转换器应用采用

10A、48V至10.8V降压型转换器充电器给三节磷酸铁锂离子电池(LiFepO4)充电