高度靈活的便攜式電池充電器方案

便攜式電源使用的范疇，不但非常廣泛而且多元化，其範圍涵蓋了從均勻功耗以僅幾微瓦（μW）計的無線感測器節點，以至于用于手推式醫療或資料採集系統等眾多數百瓦／時的電池包。然而，這些使用儘管品項眾多，但均呈現出相對一致的趨勢－亦即，設計人員不斷地要求其產品擁有較高的功率以支援更多功能，并希望能從任何可用的電源來為電池充電。第一個趨勢，主要是要求提高電池容量。不幸的是，使用者通常缺乏耐心，而且增加的電池容量非得要在合理的時間內充電完成，這就導致充電電流的提高。第二個趨勢，則是要求電池充電處理方案具有高度彈性。本文便將針對這些議題提供具體的說明。

更高功率

新型的手持裝置，無論是消費性裝置或是工業設備，都可能包括一個蜂巢式電話調變解調器、一個WiFi模組、一個藍牙模組、一個大型的背光顯示器等。許多手持式裝置的電源架構，都可透過蜂巢式電話反映出來。通常，3.7V的鋰離子電池因其很高的重量（Wh/kg）和體積（Wh/m3）能量密度而被用作主電源。過去，不少高功率密度設備都採用7.4V鋰電池以降低電流需求，但廉價的5V電源管理IC的問世，使得越來越多的手持式設備轉而採用較低電壓架構。平板電腦便體現了這一點－標準的平板電腦擁有多功能以及非常大（用于可攜式裝置）的螢幕。當採用一個3.7V電池來供電時，電池的容量非得達到幾千毫安培／小時（mAh）。為了能夠在幾個小時之內完成此類電池的充電，所需要的是幾千毫安培（mA）的充電電流。然而，消費者同樣希望能夠在沒有可用的大電流墻式電源轉接器時，能從USB埠來為其高功率設備充電，這個期待并未因上述的高充電電流而降低。為了滿足這些要求，在可以使用墻式電源轉接器時，電池充電器非得要能夠以高電流（》2A）進行充電，但依然可以高效率地利用USB埠所提供的2.5W至4.5W功率。此外，產品還必需避免敏感的下游低電壓組件遭受可能造成損壞的過壓，將高電流從一個USB輸入、一個powerpath或電池無縫式地引導至負載，并最大限度地降低功率損耗。與此同時，IC非得安全地管理電池充電算法，并監控關鍵的系統參數。

處理單顆電池供電型可攜式產品的電源難題

儘管仿佛無法找到單個IC來滿足上述要求，但不妨考慮LTC4155，這是一款高功率、I2C控制、高效率的powerpath管理器、理想二極體控制器和鋰離子電池充電器。該元件設計用于從多種5V電源高效地輸送高達3A的電流，可為電池充電及系統用途提供3.5A以上的電流（見圖1）。即使在這些高電流水準下，LTC4155的88％～94％效率依然可使熱預算限制條件有所放寬（圖2）。LTC4155的開關powerpath架構可對從兩個輸入電源（例如：powerpath和USB埠）至設備的可再充電鋰離子電池的功率輸送進行無縫管理，并在輸入功率有限時優先為系統負載供電。

LTC4155的切換穩壓器可提供變壓器的作用，準許VOUT上的負載電流超過輸入電源所吸收的電流，與常用的線性模式充電器相比，此可大幅提升電池充電可用功率的使用效率。如前例所示，LTC4155能夠以高達3.5A的電流進行高效充電，從而縮短充電時間。與一般的切換電池充電器不同，LTC4155具有instant-on操作能力，以確保在插入電源時可立即獲得系統功率，即使所採用的是一個失效的電池或深度放電的電池也不例外。

在對電池進行高速充電時，監視電池的安全性是很緊要的。LTC4155將在電池溫度下降至0℃以下或上升至40℃以上（由一個外部負溫度係數［NTC］熱敏電阻負責測量）時自動停止充電。除了這種自主特性之外，LTC4155還提供了一個7位元延伸刻度類比數位轉換器（ADC），用于以約莫1℃的介紹度（圖3）來監視電池的溫度。結合4種可用的浮動電壓設定值和15種電池充電電流設定值，該ADC能夠用于建立基于電池溫度的客製充電演算法。

透過一個簡單的二線式I2C埠可獲得NTCADC結果，從而據此調整充電電流和電壓設定值。該I2C埠還透過控制包括可相容USB2.0和3.0規格的設定值等16種輸入電流限制設定值提供了與USB規範的相容性。通訊匯流排準許LTC4155提供額外的狀態指示訊息，例如：輸入電源狀態、充電器狀態和故障狀態。USBOTG（On-The-Go）支援能力可在未採用任何附加零組件的情況下，提供一個返回USB埠的5V電源。

LTC4155的雙組輸入、優先性多工器可依據用戶定義的優先級（適配器輸入是default的優先選擇）自主選擇最適宜的輸入（墻式電源轉接器或USB）。過壓保護（OVp）電路用于同時保護兩個輸入免遭因意外施加高電壓或反向電壓而造成的損壞。LTC4155的理想二極體控制器可確保即使輸入功率不足或缺失，也始終能為VOUT提供足夠的功率。

對于諸如平板電腦或工業條形碼掃描儀等許多可攜式使用而言，管理兩個輸入（例如：USB和墻式電源轉接器）就足夠了。不過，可攜式設備的設計人員仍在持續探尋能夠從任何可用電源來給電池充電的辦法。

多個輸入源

諸多塬因導致用戶希望從多種輸入電源來給電池充電。某些使用有可能需要脫離電網并指望由太陽能板來供電。其他的使用則希望擁有能夠從墻上適配器、汽車電池或者高電壓工業或電信電源進行充電的便利。無論甚么塬因，相關的要求都為電池充電系統帶來了沉重的負擔。大多數電池充電器都是利用一種降壓（切換或線性）架構，從一個高于最大電池電壓的電壓電源來為電池充電。早期的充電器產品通常被限制于約莫30V的輸入電壓。此類局限性導致設計人員無法考慮將電信電源作為可行的輸入電源，或者採用具有42V開路電壓的太陽能板。在某些場合中，期待輸入電源的電壓範圍既會升至電池電壓以上也會降至電池電壓以下。設計旨在因應上述難題的處理方案通常需要整合高精度的電流測試放大器、ADC、用于控制充電操作的微解決器、高性能的DC/DC轉換器以及理想二極體或多工電路。凌力爾特則是推出了一款更卓越的處理方案。

高度彈性的充電方案

LTC4000可將任何在外部補償的DC/DC電源轉換為一個全功能的電池充電器，并具有powerpath控制功能。LTC4000能夠驅動的常用DC/DC轉換器架構，包括、但不限于降壓、升壓、升降壓、SEpIC和反馳式。該元件提供了精準的輸入電流和充電電流調節，并可在一個3V至60V的寬敞輸入和輸出電壓範圍內運作，因此，其能與多種不同的輸入電壓電源、電池包尺寸和化學相容。由于這款元件採用通用型配置，因此其擁有相當廣泛的使用範圍，包括高功率電池充電器系統、高效能可攜式儀器、電池備援系統、配備電池的工業設備以及筆記型電腦／小筆電等。

除了可支援多種不同的DC/DC架構外，LTC4000的高電壓能力還使其能夠利用幾乎任何輸入電源來形成功能強大的電池充電處理方案（見圖4及圖5）。為了確保來自這些輸入的功率能輸送至適宜的負載，LTC4000採用了一種智慧型powerpath架構，當輸入功率有限時，該架構將優先為系統負載供電。LTC4000透過控制外部pFET來提供低損耗反向電流保護、電池的低損耗充電和放電以及instant-on操作，以確保在插入電源時可立即獲得系統功率，即使所採用的是一個失效的電池或深度放電的電池也不例外。外部測試電阻器可提供輸入電流和電池充電電流信息，從而使得LTC4000能夠與功率範圍從幾毫瓦到幾千瓦的轉換器一起使用。

LTC4000的全功能電池充電控制器可對多種電池化學組成進行充電，包括鋰離子電池、鋰聚合物電池、磷酸鐵鋰離子電池、密封鉛酸蓄電池（SLA）和鎳電池等。另外，電池充電器還具有高精度的電流測試功能，可為高電流使用提供較低的測試電壓。

新式可攜式產品的設計者，所從事的是相當具有挑戰性的工作，特別是當其面對電源時。隨著客戶不斷要求需要消耗更多功率的功能，對于使用更大電池的需求也因而攀升，與此同時，客戶還希望擁有從近乎所有可用電源來為這些電池充電的方便性。雖然可攜式電源的上述發展趨勢帶來了設計難題，但LTC4155和LTC4000則使設計工作大為簡化。在低電壓系統中，LTC4155可高效率地提供高達3.5A的充電電流，并具有諸多高效能特性。LTC4000能利用幾乎任何輸入來實現一款功能強大的充電處理方案，且擁有無與倫比的性能及彈性。

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