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高度灵活的便携式电池充电器方案

发布时间:2016-06-01 责任编辑:wenwei

【导读】便携式电源应用的领域,不但非常广泛而且多元化,其范围涵盖了从平均功耗以仅几微瓦(μW)计的无线感测器节点,以至于用于手推式医疗或资料採集系统等众多数百瓦/时的电池组。然而,这些应用尽管品项众多,但均呈现出相对一致的趋势-亦即,设计人员不断地要求其产品拥有较高的功率以支援更多功能,并希望能从任何可用的电源来为电池充电。
 
第一个趋势,主要是要求提高电池容量。不幸的是,使用者通常缺乏耐心,而且增加的电池容量必须要在合理的时间内充电完成,这就导致充电电流的提高。第二个趋势,则是要求电池充电解决方案具有高度弹性。本文便将针对这些议题提供详细的说明。
 
更高功率
 
新型的手持装置,无论是消费性装置或是工业设备,都可能包括一个蜂巢式电话调变解调器、一个WiFi模组、一个蓝牙模组、一个大型的背光显示器等。许多手持式装置的电源架构,都可透过蜂巢式电话反映出来。通常,3.7V的锂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 的问世,使得越来越多的手持式设备转而采用较低电压架构。平板电脑便体现了这一点-标准的平板电脑拥有多功能以及非常大(用于可携式装置)的荧幕。当采用一个3.7V电池来供电时,电池的容量必须达到几千毫安培/小时(mAh)。为了能够在几个小时之内完成此类电池的充电,所需要的是几千毫安培(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式电源转接器时,能从USB埠来为其高功率设备充电,这个期望并未因上述的高充电电流而降低。为了满足这些要求,在可以使用墙式电源转接器时,电池充电器必须要能够以高电流(》2A)进行充电,但仍然可以高效率地利用USB埠所提供的2.5W至4.5W功率。此外,产品还必需避免敏感的下游低电压组件遭受可能造成损坏的过压,将高电流从一个USB输入、一个PowerPath或电池无缝式地引导至负载,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,并监控关键的系统参数。
 
解决单颗电池供电型可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LTC4155,这是一款高功率、I2C控制、高效率的PowerPath管理器、理想二极体控制器和锂电池充电器。该元件设计用于从多种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提供3.5A以上的电流(见图1)。即使在这些高电流水準下,LTC4155的88%~94% 效率仍然可使热预算限制条件有所放宽(图2)。LTC4155的开关PowerPath架构可对从两个输入电源(例如:PowerPath和USB埠)至设备的可再充电锂电池的功率输送进行无缝管理,并在输入功率有限时优先为系统负载供电。
 
高度灵活的便携式电池充电器方案
 
LTC4155的切换稳压器可提供变压器的作用,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,此可大幅提升电池充电可用功率的使用效率。如前例所示,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。与普通的切换电池充电器不同,LTC4155具有instant-on操作能力,以确保在插入电源时可立即获得系统功率,即使所採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(由一个外部负温度係数[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还提供了一个7位元延伸刻度类比数位转换器(ADC),用于以大约1℃的解析度(图3)来监视电池的温度。结合4种可用的浮动电压设定值和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客製充电演算法 。
 
高度灵活的便携式电池充电器方案
 
透过一个简单的二线式I2C埠可获得NTC ADC结果,从而据此调整充电电流和电压设定值。该I2C埠还透过控制包括可相容USB 2.0和3.0规格的设定值等16种输入电流限制设定值提供了与USB规範的相容性。通讯匯流排允许LTC4155提供额外的状态指示讯息,例如:输入电源状态、充电器状态和故障状态。USB OTG(On-The-Go)支援能力可在未採用任何附加零组件的情况下,提供一个返回USB埠的5V电源。
 
LTC4155的双组输入、优先性多工器可根据用户定义的优先级(适配器输入是default的优先选择) 自主选择最合适的输入(墙式电源转接器或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的理想二极体控制器可确保即使输入功率不足或缺失,也始终能为VOUT提供足够的功率。
 
对于诸如平板电脑或工业条形码扫描仪等许多可携式应用而言,管理两个输入(例如:USB和墙式电源转接器)就足够了。不过,可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。
 
多个输入源
 
诸多原因导致用户希望从多种输入电源来给电池充电。某些应用有可能需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。无论甚么原因,相关的要求都为电池充电系统带来了沉重的负担。大多数电池充电器都是利用一种降压(切换或线性) 架构,从一个高于最大电池电压的电压电源来为电池充电。
 
早期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。设计旨在因应上述难题的解决方案通常需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体或多工电路。凌力尔特则是推出了一款更卓越的解决方案。
 
高度弹性的充电方案
 
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PowerPath控制功能。LTC4000能够驱动的常用DC/DC转换器架构,包括、但不限于 降压、升压、升降压、SEPIC和反驰式。该元件提供了精準的输入电流和充电电流调节,并可在一个3V至60V的宽广输入和输出电压範围内运作,因此,其能与多种不同的输入电压电源、电池组尺寸和化学相容。由于这款元件採用通用型配置,因此其拥有相当广泛的应用範围,包括高功率电池充电器系统、高效能可携式仪器、电池备援系统、配备电池的工业设备以及笔记型电脑/小笔电等。
 
除了可支援多种不同的DC/DC架构外,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案(见图4及图5)。为了确保来自这些输入的功率能输送至合适的负载,LTC4000採用了一种智慧型PowerPath架构,当输入功率有限时,该架构将优先为系统负载供电。LTC4000透过控制外部PFET来提供低损耗反向电流保护、电池的低损耗充电和放电以及instant-on操作,以确保在插入电源时可立即获得系统功率,即使所採用的是一个失效的电池或深度放电的电池也不例外。外部检测电阻器可提供输入电流和电池充电电流信息,从而使得LTC4000能够与功率範围从几毫瓦到几千瓦的转换器一起使用。
 
除了可支援多种不同的DC/DC架构外,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案
 
高度灵活的便携式电池充电器方案
 
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,包括锂电池、锂聚合物电池、磷酸铁锂电池、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,可为高电流应用提供较低的检测电压。
 
新式可携式产品的设计者,所从事的是相当具有挑战性的工作,特别是当其面对电源时。随着客户不断要求需要消耗更多功率的功能,对于使用更大电池的需求也因而攀升,与此同时,客户还希望拥有从近乎所有可用电源来为这些电池充电的方便性。虽然可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可高效率地提供高达3.5A的充电电流,并具有诸多高效能特性。LTC4000能利用几乎任何输入来实现一款功能强大的充电解决方案,且拥有无与伦比的性能及弹性。



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