背景知識(shí)
許多由電池供電的設(shè)備通常需要各種各樣的充電電源、電池化學(xué)組成、電壓和電流。例如，隨著適合所有類型電池化學(xué)組成的新型大電池組出現(xiàn)，功能豐富的高端消費(fèi)型、醫(yī)療、工業(yè)和汽車電池充電器電路都需要更高電壓和電流。此外，支持寬功率范圍的太陽能電池板也用于為各種采用可充電密封鉛酸(SLA)電池和鋰電池的創(chuàng)新系統(tǒng)供電。例如人行道信號(hào)燈、便攜式揚(yáng)聲器系統(tǒng)、垃圾壓實(shí)機(jī)，甚至海上浮標(biāo)燈。此外，太陽能應(yīng)用中的一些鉛酸(LA)電池是深循環(huán)電池，除了深度放電之外，還能長(zhǎng)時(shí)間重復(fù)充電。深海浮標(biāo)就是一個(gè)很好的實(shí)例，要求具備10年使用壽命。另一個(gè)示例是離網(wǎng)型（即與電力公司斷開連接）可再生能源系統(tǒng)（如太陽能或風(fēng)能發(fā)電），由于難以靠近維護(hù)，這些系統(tǒng)必須持久運(yùn)行。
即使在非太陽能應(yīng)用領(lǐng)域，最近的市場(chǎng)趨勢(shì)也表明人們對(duì)高容量SLA電池重新燃起了興趣。從成本/功率輸出的角度來看，汽車或啟動(dòng)應(yīng)用SLA電池的價(jià)格并不高，且可以在短時(shí)間內(nèi)提供高脈沖電流，是汽車和其他汽車啟動(dòng)器應(yīng)用的理想選擇。嵌入式汽車應(yīng)用的輸入電壓高于30 V，有的甚至更高�？紤]一下具有防盜威懾作用的GPS定位系統(tǒng)；能夠?qū)⒌湫偷?2 V輸入降至2個(gè)串聯(lián)鋰離子電池（一般7.4 V）且需要提供高壓保護(hù)的線性充電器，都具有應(yīng)用價(jià)值。深循環(huán)鉛酸電池是另一項(xiàng)深受工業(yè)應(yīng)用歡迎的技術(shù)。其電池板比汽車電池更厚，設(shè)計(jì)放電量可以低至總?cè)萘康?0%。通常用于需要長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)供電的場(chǎng)合，如叉車和高爾夫球車。然而，與鋰離子電池一樣，鉛酸電池對(duì)過度充電很敏感，所以在充電過程中必須慎重處理。
針對(duì)眾多輸入電壓、充電電壓和充電電流組合需求，只有一小部分可采用基于電流集成電路(IC)的解決方案。其余更復(fù)雜的組合和拓?fù)洌ǔ２捎玫募呻娐泛头至⑹浇M件組合，繁瑣累贅。直到2011年，ADI公司利用其頗受歡迎的雙芯片充電解決方案化解了這一市場(chǎng)難題，這種情況才得以改變。該解決方案由LTC4000電池充電控制器IC以及配套的外部補(bǔ)償兼容型dc-dc轉(zhuǎn)換器組成。
開關(guān)與線性充電器
傳統(tǒng)線性拓?fù)潆姵爻潆娖鱅C常常因其緊湊的尺寸、簡(jiǎn)單和低成本而受到重視。但是，這些線性充電器存在一些缺點(diǎn)，包括輸入和電池電壓范圍有限、電流消耗量相對(duì)更高、功耗過高、充電端電極算法有限，以及相對(duì)效率更低（效率 ~ [VOUT/VIN] × 100%）。另一方面，開關(guān)模式電池充電器也因其靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，多化學(xué)充電、高充電效率（產(chǎn)生的熱量極低，支持快速充電）、寬工作電壓范圍而受歡迎。但是，開關(guān)充電器也存在一些缺點(diǎn)，包括：成本相對(duì)較高，基于電感的設(shè)計(jì)更為復(fù)雜，可能會(huì)產(chǎn)生噪聲，解決方案尺寸較大�；谏鲜鲈�，現(xiàn)代鉛酸、無線電源、能量收集、太陽能充電、遠(yuǎn)程傳感器和嵌入式汽車應(yīng)用通常使用高壓線性電池充電器供電。但是，現(xiàn)在有機(jī)會(huì)獲得沒有這些缺點(diǎn)的更現(xiàn)代化的開關(guān)模式充電器。
簡(jiǎn)單的降壓電池充電器
設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)充電解決方案時(shí)會(huì)面臨一些嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，包括眾多輸入源和眾多可用電池、充電電池的高容量以及高輸入電壓。
輸入源的范圍廣泛且非常多變，但涉及電池充電系統(tǒng)，遇到的更復(fù)雜的問題包括：電壓范圍為5 V至19 V甚至更高的大功率壁式適配器、24 V整流AC系統(tǒng)、高阻抗太陽能電池板、汽車和重型卡車/Humvee電池。因此，能夠在這些系統(tǒng)中使用的電池化學(xué)組合數(shù)量隨之進(jìn)一步增加，如鋰基（鋰離子、鋰聚合物、磷酸鐵鋰(LiFePO4)）和鉛酸基，從而使設(shè)計(jì)面臨更復(fù)雜的局面。
由于IC設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，現(xiàn)有的電池充電IC主要局限于采用降壓型（或降壓）或更復(fù)雜的SEPIC拓?fù)�。在這個(gè)組合中添加太陽能充電功能，會(huì)帶來各種其他難題。最后，現(xiàn)有的一些解決方案為多種電池化學(xué)組成充電，一些采用板載終止方法。但是，到目前為止，還沒有一種單一的IC充電器能夠提供解決這些問題所需的所有性能特性。
功能多樣的新款緊湊型充電器
能夠解決上述問題的降壓型IC充電解決方案需要具備以下大部分特性：
- 寬輸入電壓范圍
- 寬輸出電壓范圍，用于滿足多個(gè)電池堆疊需求
- 靈活性—能夠?yàn)槎喾N電池化學(xué)組成充電
- 帶有板載充電終止功能算法的簡(jiǎn)單自主操作（無需微處理器）
- 高充電電流，能夠?yàn)榇笮透呷萘侩姵乜焖俪潆?/font>
- 太陽能充電功能
- 采用先進(jìn)封裝以提高散熱性能和空間效率
ADI在幾年前開發(fā)出頗受歡迎的LTC4000電池充電控制器IC（與外部補(bǔ)償dc-dc轉(zhuǎn)換器配合使用，構(gòu)成功能強(qiáng)大且靈活的2芯片電池充電解決方案）之后，極大地簡(jiǎn)化了現(xiàn)有的非常復(fù)雜和麻煩的解決方案。為了實(shí)現(xiàn)PowerPath™控制、升壓/降壓功能，以及輸入電流限制，解決方案包含了一個(gè)降壓-升壓dc-dc開關(guān)穩(wěn)壓器或一個(gè)降壓開關(guān)穩(wěn)壓器充電器控制器（與一個(gè)前端增壓控制器配對(duì)）、一個(gè)微處理器，以及多個(gè)IC和分立組件。主要缺點(diǎn)包括：操作電壓范圍有限、不具備太陽能電池板輸入功能、無法為所有電池化學(xué)組成充電，以及沒有板載充電終止功能�？焖侔l(fā)展到現(xiàn)在，目前已經(jīng)有一些更簡(jiǎn)單、更緊湊的單片式解決方案可用于解決這些問題。ADI公司提供的LTC4162和LTC4015降壓電池充電器均提供單芯片降壓充電解決方案，支持多種充電電流等級(jí)和完整的功能組。
LTC4162電池充電器
LTC4162是一款高度集成、高電壓多化學(xué)組成同步單片降壓電池充電器和PowerPath管理器，具有板載遙測(cè)功能和可選的最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)特性。它能高效地傳輸各種輸入源（如壁式適配器、背板和太陽能電池板）電力，為鋰離子/聚合物、LiFePO4或鉛酸電池組充電，同時(shí)仍然為系統(tǒng)負(fù)載提供高達(dá)35v的電力。該設(shè)備提供先進(jìn)的系統(tǒng)監(jiān)控和PowerPath管理，以及電池狀況監(jiān)測(cè)。雖然使用LTC4162最先進(jìn)的功能需要采用主機(jī)微控制器，仍可選擇性地使用I2C端口。該產(chǎn)品的主要充電功能可以使用引腳綁定配置和編程電阻進(jìn)行調(diào)整。該設(shè)備提供±5%的充電電流調(diào)節(jié)（高達(dá)3.2 A）、±0.75%的充電電壓調(diào)節(jié)，支持4.5 V至35 V的輸入電壓范圍。適用于便攜式醫(yī)療器械、USB電源傳輸(USB-C)設(shè)備、軍事設(shè)備、工業(yè)手持設(shè)備和加固筆記本/平板電腦等。
圖1.LTC4162-L的典型應(yīng)用電路。
LTC4162（見圖1）包含一個(gè)精確的16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，可以按照需求連續(xù)監(jiān)控許多系統(tǒng)參數(shù)，包括輸入電壓、輸入電流、電池電壓、電池電流、輸出電壓、電池溫度、模具溫度和電池串聯(lián)電阻(BSR)。所有系統(tǒng)參數(shù)都可以通過一個(gè)雙線I2C接口來監(jiān)控，而可編程和可屏蔽的警報(bào)可以確保只有感興趣的信息才會(huì)導(dǎo)致中斷。該設(shè)備的主動(dòng)最大功率點(diǎn)跟蹤算法在全局范圍內(nèi)掃描輸入低壓控制回路，并選擇一個(gè)工作點(diǎn)，以最大限度地從太陽能電池板和其他電阻源提取電力。此外，其內(nèi)置的PowerPath拓?fù)淙ヱ铍姵刂械妮敵鲭妷海贡銛y式產(chǎn)品能夠在極低電池電壓條件下使用充電電源時(shí)即時(shí)啟動(dòng)。LTC4162的板載充電配置針對(duì)鋰離子/聚合物、LiFePO4和鉛酸等多種電池化學(xué)組成實(shí)施了優(yōu)化。充電電壓和充電電流都可以根據(jù)電池溫度自動(dòng)調(diào)整，以符合JEITA指南的要求，或者可以自定義。對(duì)于鉛酸電池，連續(xù)溫度曲線會(huì)根據(jù)環(huán)境溫度自動(dòng)調(diào)整電池電壓。對(duì)于所有化學(xué)組成，可以采用可選的模具連接溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，防止在受限空間或存在熱問題的應(yīng)用中出現(xiàn)過熱。鋰離子充電能效性能參見圖2。
最后，LTC4162采用28引腳4 mm × 5 mm QFN封裝，配備裸露金屬焊盤，散熱性能出色。E級(jí)和I級(jí)設(shè)備能夠在–40°C至+125°C范圍內(nèi)工作。
圖2.采用不同數(shù)量電池時(shí)，鋰離子充電效率與輸入電壓的關(guān)系。
圖3.12 VIN、8 A雙鋰離子電池降壓型電池充電器電路。
需要更高電流時(shí)怎么辦？
LTC4015也是一款高度集成的高電壓、多化學(xué)組成、同步降壓型電池充電器，提供板載遙測(cè)功能。但是，它采用了控制器架構(gòu)與離線功率FET，可以實(shí)現(xiàn)更高的充電電流能力（高達(dá)20 A或更高，具體取決于所選的外部組件）。該設(shè)備能通過輸入源（壁式適配器、太陽能電池板等）向鋰離子/聚合物、LiFePO4或鉛酸電池高效供電。它提供先進(jìn)的系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和管理功能，包括電池庫(kù)侖計(jì)數(shù)和狀況監(jiān)測(cè)。雖然使用LTC4015最先進(jìn)的功能需要采用主機(jī)微控制器，仍可選擇性地使用I2C端口。該產(chǎn)品的主要充電功能可以使用引腳綁定配置和編程電阻進(jìn)行調(diào)整。
LTC4015提供±2%的充電電流調(diào)節(jié)（高達(dá)20 A）、±1.25%的充電電壓調(diào)節(jié)，支持4.5 V至35 V的輸入電壓范圍。適用于便攜式醫(yī)療儀器、軍事設(shè)備、電池備份應(yīng)用、工業(yè)手持設(shè)備、工業(yè)照明、加固式筆記本/平板電腦、遠(yuǎn)程動(dòng)力通信和遙測(cè)系統(tǒng)。
LTC4015還包含一個(gè)精確的14位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，以及一個(gè)高精度庫(kù)侖計(jì)數(shù)器。ADC連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的許多參數(shù)，包括輸入電壓、輸入電流、電池電壓、電池電流，并根據(jù)命令報(bào)告電池溫度和電池串聯(lián)電阻(BSR)。通過監(jiān)測(cè)這些參數(shù)，LTC4015可以報(bào)告電池的工作狀態(tài)和充電狀態(tài)。所有的系統(tǒng)參數(shù)都可以通過一個(gè)雙線I2C接口來監(jiān)控，而可編程和可屏蔽的警報(bào)可以確保只有感興趣的信息才會(huì)導(dǎo)致中斷。LTC4015的板載充電配置針對(duì)鋰離子/聚合物、LiFePO4和鉛酸等多種電池化學(xué)組成進(jìn)行了優(yōu)化。通過配置引腳，用戶可以在幾種為電池化學(xué)組成預(yù)先定義的充電算法，以及幾種可以通過I2C調(diào)整參數(shù)的算法之間進(jìn)行選擇。充電電壓和充電電流都可以根據(jù)電池溫度自動(dòng)調(diào)整，以符合JEITA指南，或者自定義設(shè)置的要求。鉛酸充電能效性能參見圖4。LTC4015采用5 mm × 7 mm QFN封裝，配備裸露金屬焊盤，散熱性能出色。
圖4.LTC4015的鉛酸充電效率。
節(jié)省空間、靈活、具備更高的功率級(jí)別
由于LTC4162是一個(gè)帶有集成功率MOSFET的單片器件，在同等功率等級(jí)下（例如，3 A），它比LTC4015節(jié)省多達(dá)50%的PCB面積。由于它們的功能相似，當(dāng)輸出電流范圍為>3.2 A到20 A，或高于此范圍時(shí)，應(yīng)該使用LTC4015。業(yè)內(nèi)同類IC電池充電器解決方案都不能提供同等集成水平，也不能產(chǎn)生相同的功率水平。這些接近充電電流（2 A到3 A）的電池解決方案只適用于單一電池化學(xué)組成（鋰離子），或者電池充電電壓受到限制（最大13 V），因此不能提供與LTC4162或LTC4015同等的功率水平或靈活性。此外，當(dāng)您考慮實(shí)現(xiàn)最近的競(jìng)爭(zhēng)單片式電池充電器解決方案需要用到的外部組件數(shù)量時(shí)，LTC4162能夠節(jié)省多達(dá)40%的PCB空間，因此更具吸引力。
大陽能充電
在最大功率點(diǎn)(MPP)操作太陽能電池板有許多方法。最簡(jiǎn)單的方法之一是通過二極管將電池連接到太陽能電池板上。這種技術(shù)依賴于將電池板的最大輸出電壓與電池相對(duì)狹窄的電壓范圍匹配。當(dāng)可用功率非常低（大約低于幾十毫瓦）時(shí)，這可能是最好的方法。然而，功率水平不可能一直很低。因此，LTC4162和LTC4015采用了MPPT技術(shù)，這種技術(shù)可以根據(jù)入射光的變化來確定太陽能電池板的最大功率電壓(MPV)。當(dāng)電路板電流在20年或更長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)時(shí)間范圍內(nèi)發(fā)生變化時(shí)，這個(gè)電壓可以從12 V急劇變化到18 V。MPPT電路算法查找并跟蹤面板電壓值，為電池提供最大的充電電流。MPPT功能不僅可以連續(xù)跟蹤最大功率點(diǎn)，還可以在功率曲線上選擇正確的最大功率點(diǎn)，從而在功率曲線上出現(xiàn)多個(gè)峰值時(shí)，在部分遮陽條件下增加電路板獲得的功率。在弱光狀態(tài)下，即使沒有足夠的光線讓MPPT正常工作，低功率模式也能讓充電器提供小充電電流。
結(jié)論
ADI公司功能齊全而強(qiáng)大的全新電池充電和PowerPath管理器集成電路LTC4162和LTC4015，簡(jiǎn)化了繁復(fù)的高壓和高電流充電系統(tǒng)。這些設(shè)備能夠高效管理輸入源（如壁式適配器、背板、太陽能電池板等）和各種電池化學(xué)組成（包括鋰離子/聚合物、LiFePO4和SLA）之間的電源分配。其簡(jiǎn)單的解決方案和緊湊的外形使它們能夠在前沿應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)高性能，而過去只有基于更復(fù)雜、更古老的開關(guān)調(diào)節(jié)器的拓?fù)洌ㄈ鏢EPIC）才是唯一的選擇。設(shè)計(jì)中高功率電池充電器電路時(shí)，可以極大簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)師的工作。
作者簡(jiǎn)介
Steve Knoth [steve.knoth@analog.com]是ADI公司Power by Linear™部門的高級(jí)產(chǎn)品營(yíng)銷工程師。他負(fù)責(zé)所有電源管理集成電路(PMIC)產(chǎn)品、低壓差(LDO)穩(wěn)壓器、電池充電器、電荷泵、基于電荷泵的發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)器、超級(jí)電容器充電器、低壓?jiǎn)纹_關(guān)穩(wěn)壓器和理想二極管器件。Steve從1990年起在Micro Power Systems、ADI公司和Micrel Semiconductor擔(dān)任過多種營(yíng)銷和產(chǎn)品工程職位，之后于2004年加入ADI公司（以前的凌力爾特公司）。他于1988年獲得圣何塞州立大學(xué)電氣工程學(xué)士學(xué)位，并于1995年獲得該大學(xué)物理學(xué)碩士學(xué)位。2000年，Steve還獲得了鳳凰城大學(xué)技術(shù)管理碩士學(xué)位(MBA)。除了與孩子們一起享受美好時(shí)光之外，Steve還喜歡玩彈球/街機(jī)游戲或肌肉車，以及購(gòu)買、出售、收藏古董玩具和電影/體育/汽車紀(jì)念品。 |
