通用電池充電器

　　設(shè)計(jì)電池充電器的第一步是從眾多可用解決方案中選擇電池充電器IC。為了做出明智的決定，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)首先必須明確定義電池參數(shù)(化學(xué)組成、電池單元數(shù)量等)和輸入?yún)?shù)(太陽能、USB等)。然后，團(tuán)隊(duì)必須搜索符合輸入和輸出參數(shù)的充電器，比較大量的數(shù)據(jù)手冊，以確定最佳解決方案。方案選擇的過程應(yīng)允許團(tuán)隊(duì)為應(yīng)用選擇最佳解決方案，當(dāng)然一旦設(shè)計(jì)參數(shù)發(fā)生改變，則需重新回到數(shù)據(jù)手冊比較。

　　如果可以完全跳過此步驟會怎么樣呢? 如果設(shè)計(jì)人員能夠?qū)Ｗ⒂趹?yīng)用解決方案，將電池充電器IC視為一個(gè)黑匣子，在真正需要生成一個(gè)可行的解決方案時(shí)才放入實(shí)際的IC，那該多好啊。到那時(shí)，無論基本設(shè)計(jì)參數(shù)如何，設(shè)計(jì)人員只需要從現(xiàn)成產(chǎn)品中選取一個(gè)通用電池充電器IC即可。即使應(yīng)用參數(shù)發(fā)生變化(輸入切換、電池類型改變等)，現(xiàn)成的電池充電器IC仍然適用。無需重新額外搜索數(shù)據(jù)手冊。

　　我們通過評估兩個(gè)截然不同的電池充電器來說明這個(gè)問題：

　　u 設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)A的任務(wù)是設(shè)計(jì)一個(gè)電池充電器，該產(chǎn)品需要太陽能面板輸入并為鉛酸電池充電。充電器必須是獨(dú)立的(沒有微控制器)，但應(yīng)該具有足夠的多樣性，可以支持幾種不同的太陽能面板型號。他們有一周的時(shí)間來完成原理圖設(shè)計(jì)。

　　u 設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)B有一個(gè)更復(fù)雜的充電器項(xiàng)目。他們的設(shè)計(jì)采用一個(gè)5 V USB電源，為一節(jié)鋰離子電池充電，電流為1.3 A，每節(jié)電池的端電壓為4.1 V。他們希望在47℃以上時(shí)，每節(jié)電池的充電電壓降至4 V、電流為0.5 A，并且在超過72℃時(shí)，充電停止。系統(tǒng)中的微控制器需要知道電池的電壓、電流、溫度和健康狀況。他們也是只有一周的時(shí)間完成原理圖設(shè)計(jì)。

　　u 事實(shí)證明，兩個(gè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)都可以使用相同的電池充電器IC，而且該器件可以說是兩個(gè)應(yīng)用的最佳選擇。

　　好產(chǎn)品、小尺寸

　　LTC4162 35 V/3.2 A單芯片降壓充電器設(shè)計(jì)簡單、功能多樣。LTC4162既可以獨(dú)立工作，也可以與主控制器一起工作，可提供從基本到復(fù)雜的解決方案。功能齊全的I2C遙測系統(tǒng)讓用戶可以有選擇性地監(jiān)控電池，并可根據(jù)電池型號實(shí)現(xiàn)自定義充電參數(shù)。真正的最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)算法允許充電器針對任何高阻抗源(如太陽能面板)進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)行。充電算法根據(jù)選擇的電池化學(xué)組成量身定制：鋰離子、LiFePO4或鉛酸。

　　這些功能整合在一個(gè)4mm × 5mm QFN封裝中，典型解決方案的尺寸約為1cm × 2cm。

　　感受大功率!

　　千萬不要因?yàn)樾〕叽缍】此?。即使只使用集成開關(guān)FET，LTC4162也可以支持60 W以上的充電功率。LTC4162可利用芯片溫度的內(nèi)部熱量自監(jiān)控功能調(diào)節(jié)充電電流，因此，即使在最熱的環(huán)境或最小的外殼中也從來不會發(fā)生過熱現(xiàn)象。

　　圖1.適合什么樣的充電器?這是兩個(gè)截然不同的電池充電系統(tǒng)：它們可以使用同樣的充電器IC嗎?

　　PowerPath? FET(INFET和BATFET)確保系統(tǒng)負(fù)載(VOUT)在有輸入電壓(VIN)時(shí)，始終由VIN供電;如果沒有VIN，則由電池供電。使用外部N通道FET能夠?qū)崿F(xiàn)低損耗路徑，并且不會限制可傳遞到負(fù)載的電流量。

　這里變得越來越熱

　　LTC4162可實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)型可定制充電器。對于鋰基化學(xué)組成(鋰離子和LiFePO4)，LTC4162可采用JEITA溫控充電。JEITA規(guī)范允許用戶設(shè)置定制溫度范圍，在此溫度范圍中以自定義的電池充電電壓和電流為電池充電。這也使設(shè)計(jì)人員可以決定電池應(yīng)停止充電的高溫和低溫。默認(rèn)的JEITA設(shè)置適用于多種電池，無需主機(jī)處理器干預(yù)，而這一功能使LTC4162能夠滿足任何電池的溫度曲線要求。

　　圖2.LTC4162的應(yīng)用電路非常簡單，就如同一個(gè)功能齊全的開關(guān)電池充電器。

　　遙測和控制

　　雖然LTC4162可以在沒有主控制器的情況下運(yùn)行，但通過I2C端口仍然可以監(jiān)控和控制充電的許多方面。片內(nèi)遙測系統(tǒng)實(shí)時(shí)讀取系統(tǒng)與電池電壓和電流?？梢栽O(shè)置各種限值和警報(bào)，在測量值滿足某個(gè)可配置閾值或進(jìn)入特定充電狀態(tài)時(shí)通知主控制器。例如，當(dāng)電池電壓降至某個(gè)下限值時(shí)，常見的設(shè)計(jì)功能是進(jìn)入低功耗模式。但是LTC4162不需要微控制器不斷輪詢電池電壓，而是可以進(jìn)行監(jiān)控，并在達(dá)到這個(gè)限值時(shí)通知主控制器。此時(shí)，主機(jī)可以關(guān)閉主負(fù)載并進(jìn)入低功耗狀態(tài)。

　　圖3.LTC4162的集成遙測系統(tǒng)幾乎可以滿足任何監(jiān)控和警報(bào)要求。

　　遙測系統(tǒng)還能測量電池串聯(lián)電阻(BSR)，將其作為電池健康狀況的指標(biāo)?？蓪SR測量設(shè)置為自動運(yùn)行，并且可以配置警報(bào)，在BSR超出自定義的上限值時(shí)通知主控制器，此時(shí)，主機(jī)可以向用戶發(fā)出需要更換電池的信號。

　　當(dāng)輸入電源不可用并且系統(tǒng)由電池供電時(shí)，LTC4162會自動關(guān)閉遙測系統(tǒng)以延長電池壽命。如果仍需要測量，遙測系統(tǒng)可以通過I2C命令強(qiáng)制執(zhí)行，此時(shí)，它進(jìn)入速率較慢的低功耗遙測模式，每5秒測量一次。如若需要，可以隨時(shí)將遙測速率設(shè)置為高速11ms/讀取速率。

　　圖4.默認(rèn)的鋰離子電池JEITA曲線。

　　類似地，對于鉛酸電池而言，溫度補(bǔ)償算法隨著溫度的升高會線性降低每個(gè)充電階段的目標(biāo)電壓。這些電壓可以通過I2C命令進(jìn)行失調(diào)設(shè)置，僅需改變熱敏電阻即可修改補(bǔ)償斜率。

　　MPPT和輸入調(diào)節(jié)

　　為了簡單起見，許多太陽能電池板的穩(wěn)壓電路將最大功率點(diǎn)電壓設(shè)定為恒定值。在現(xiàn)實(shí)中，VMPP隨光照漂移，并且部分遮擋的太陽能面板可能有多個(gè)功率峰值。通過掃描與其輸入電源相連的面板的整個(gè)電壓范圍，LTC4162先進(jìn)的最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)算法可以考慮所有變量的影響，始終能設(shè)定在最大功率點(diǎn)。除了偶爾掃描太陽能面板的范圍外，LTC4162還對輸入調(diào)節(jié)電壓進(jìn)行抖動調(diào)整，以不斷發(fā)現(xiàn)VMPP的微小變化。這些功能無需自定義編程，所以無需修改充電器即可切換面板。

　　輸入調(diào)節(jié)的優(yōu)勢還可延伸至太陽能面板電源以外。例如，許多USB線纜具有大量串聯(lián)阻抗，這導(dǎo)致汲取電流時(shí)充電器輸入端的電壓下降。LTC4162的欠壓限流功能可調(diào)節(jié)此電流，從而在輸入端保持最低電壓。

　　圖5.默認(rèn)的12 V鉛酸電池溫度曲線。

　　圖6.太陽能面板全局掃描。

　　USB功率傳輸

　　LTC4162還兼容USB供電規(guī)范，可通過USB Type C線纜提供高達(dá)100 W的電源。LTC4162的輸入電流限值可配置，以防止輸入適配器過載。當(dāng)輸入電流達(dá)到限值時(shí)，系統(tǒng)負(fù)載仍然可以從輸入中提取所需功率，但電池充電電流會降低，從而不會超過輸入電流限值。對于USB PD而言，這意味著一個(gè)LTC4162電路可通過各種電源適配器配置供電。

　　低功耗運(yùn)輸模式

　　當(dāng)產(chǎn)品需要長時(shí)間運(yùn)輸或存儲時(shí)，I2C命令可以將LTC4162置于低功耗狀態(tài)，從而將電池上的電流消耗降低至約3.5 μA。在此期間，可以選擇將電路配置為切斷系統(tǒng)負(fù)載的電源。

　　IC版本

　　為了簡化設(shè)計(jì)和文檔，根據(jù)電池的化學(xué)組成、充電參數(shù)以及默認(rèn)情況下是否啟用MPPT，LTC4162分為不同版本。表1列出了LTC4162的所有可選版本。

　　表1.18個(gè)IC版本為用戶的任何應(yīng)用提供最適用的器件

　　每個(gè)版本都引腳兼容，可以在原型設(shè)計(jì)期間與另一個(gè)版本互換。LTC4162版本之間可以互換，采用不同化學(xué)組成的電池、充電電壓或輸入電源的產(chǎn)品均可使用相同的電路，從而簡化了產(chǎn)品創(chuàng)建。

　　為簡化文檔，LTC4162的數(shù)據(jù)手冊基于不同的化學(xué)組成分成不同版本。鋰離子、LiFePO4和鉛酸電池各自有單獨(dú)的數(shù)據(jù)手冊。

　　結(jié)論

　　過去，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)成員要花一整天的時(shí)間閱讀各種電池充電器、電源監(jiān)視器以及太陽能調(diào)節(jié)器的數(shù)據(jù)手冊，過去還需要花數(shù)小時(shí)為自定義溫度調(diào)節(jié)型充電算法編寫代碼，并手動輪詢測量以檢測何時(shí)超出限值，他們現(xiàn)在可能只需考慮有一個(gè)通用電池充電器即可。LTC4162將會是最佳選擇。

　　作者簡介

　　Zachary Pantely是ADI公司Power by Linear部門的應(yīng)用工程師。他目前負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)和支持演示板，用于展示各種電池充電器、超級電容充電器、多輸出降壓型器件和能量收集器件的特性。除了硬件工作之外，Zack還參與了GUI和固件編程，用于展示帶數(shù)字接口產(chǎn)品的功能。他于2015年畢業(yè)于馬薩諸塞大學(xué)洛厄爾分校，主修電子工程和錄音技術(shù)兩個(gè)專業(yè)。聯(lián)系方式：zachary.pantely@analog.com。