電源管理器簡(jiǎn)化鋰離子電池充電過(guò)程

消費(fèi)者對(duì)電池供電手持設(shè)備的小型化、低成本化以及通過(guò)接受多種輸入電源來(lái)實(shí)現(xiàn)易用性的需求對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師帶來(lái)了諸多的挑戰(zhàn)。利用PowerPath電池管理器系列可以有效解決這些挑戰(zhàn)，它具有獨(dú)立的自主操作特性，能夠?qū)Χ喾N電源(如汽車適配器、FIReWIRe輸入、交流電適配器、USB端口和電池本身)之間的無(wú)縫切換實(shí)施高效管理。

對(duì)于如今的電池供電手持設(shè)備的系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)，他們所面臨的一些主要挑戰(zhàn)包括最大限度地降低功耗、最大限度地提高效率、簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)以及降低成本。

現(xiàn)今的許多便攜式電池供電電子產(chǎn)品可從交流電適配器、汽車適配器、USB端口或鋰離子/聚合物電池獲得電源。然而，對(duì)這些不同電源之間的電源路徑控制進(jìn)行自主管理具有極大的技術(shù)挑戰(zhàn)性。一直以來(lái)，設(shè)計(jì)師們都試圖采取“分立”的方式來(lái)完成該功能，即采用大量MOSFET、運(yùn)算放大器和其他的分立元件，但其間遇到了有可能引發(fā)重大系統(tǒng)問(wèn)題的熱插拔和大涌入電流等難題。近來(lái)，即使是分立IC解決方案也需要采用多顆芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)實(shí)用的解決方案，而集成化的電源管理器IC則能夠輕易地解決這些問(wèn)題。此外，IC的自主獨(dú)立操作還免除了增設(shè)一個(gè)用于實(shí)現(xiàn)充電終止功能的外部微處理器的需要，從而進(jìn)一步地簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。

當(dāng)采用諸如FIReWIRe、未穩(wěn)壓的高電壓(>5.5V)交流電適配器和汽車適配器時(shí)，適配器的電壓源和手持設(shè)備中的電池之間的電壓差非常大。因此，線性充電器也許不能夠解決高功耗的問(wèn)題，而采用開關(guān)模式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的IC卻能夠改善效率，并減輕熱管理問(wèn)題。值得注意的是，當(dāng)采用USB、鋰離子/聚合物電池或輸入低于5.5V的適配器來(lái)供電時(shí)，線性充電器/電源管理器是更加合適的選擇。

PowerPath控制

具有PowerPath控制功能的器件可從USB VBUS或交流電適配器電源來(lái)為其自身供電，并對(duì)其單節(jié)鋰離子電池進(jìn)行充電。為了確保一個(gè)滿充電電池在連接總線時(shí)處于未被使用過(guò)的狀態(tài)，該IC通過(guò)USB總線來(lái)直接向負(fù)載供電，而不是從電池獲取功率。一旦電源拿掉，則電流將通過(guò)一個(gè)內(nèi)部低損耗理想二極管從電池流至負(fù)載，從而最大限度地減少了壓降和功耗。

PowerPath控制的特點(diǎn)：

1. 從USB電源、交流電適配器或電池獲得電能；

2. 向一個(gè)與OUT引腳相連的應(yīng)用電路以及一個(gè)與BAT引腳相連的電池輸送功率(假設(shè)接入了一個(gè)外部電源，而不是電池)；

3. 將對(duì)電池充電電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，以確保充電電流與負(fù)載電流之和不超過(guò)已設(shè)置的USB輸入電流限值；

4. 交流電適配器電流可通過(guò)一個(gè)外部器件(例如功率肖特基二極管或FET)連接至輸出(負(fù)載側(cè))；

5. 具備一項(xiàng)獨(dú)特功能，即可采用由交流電適配器提供電源的輸出在向負(fù)載供電的同時(shí)對(duì)電池進(jìn)行充電；

6. OUT引腳上的負(fù)載可優(yōu)先獲得USB輸入電流。

理想二極管

當(dāng)輸出/負(fù)載電流超過(guò)了輸入電流限值或輸入電源被拿掉時(shí)，一個(gè)低損耗理想二極管將從電池來(lái)提供電源。通過(guò)理想二極管(而不是把負(fù)載直接連接至電池)來(lái)給負(fù)載供電可使一個(gè)滿充電電池在外部電源拿掉之前保持滿充電狀態(tài)。一旦外部電源被移除，則輸出電壓下降，直到理想二極管被施加正向偏壓為止。加有正向偏壓的理想二極管隨后將從電池向負(fù)載提供輸出功率。理想二極管的正向壓降遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)二極管，而且其反向漏電流也更小。小幅的正向壓降減少了功耗和自發(fā)熱，從而延長(zhǎng)了電池的使用壽命。

理想二極管具有以下的特點(diǎn)：

1. 當(dāng)輸出/負(fù)載電流超過(guò)輸入電流限值或當(dāng)輸入電源被拿掉時(shí)，理想二極管部件將從電池來(lái)提供電源；

2. 通過(guò)理想二極管(而不是把負(fù)載直接連接至電池)來(lái)給負(fù)載供電可使一個(gè)滿充電的電池在外部電源被拿掉之前保持滿充電狀態(tài)，并使得器件即使在采用一個(gè)完全耗盡的電池的情況下也能夠正常工作；

3. 一旦外部電源被移除，則輸出電壓下降，直到理想二極管被施加正向偏壓為止。被加有正向偏壓的理想二極管隨后將從電池向負(fù)載提供輸出功率；

4. 如果電池是僅有的可用電源或者負(fù)載電流超過(guò)了已設(shè)輸入電流限值，則電池將通過(guò)一個(gè)布設(shè)于BAT和OUT引腳之間的理想二極管電路自動(dòng)地向負(fù)載輸送功率；

5. 理想二極管(以及OUT引腳上的推薦電容器)使得IC能夠在無(wú)需使用大的體電容器的情況下處理大的瞬變負(fù)載和交流電適配器或USB VBUS連接/斷接模式；

6. 低損耗理想二極管通過(guò)降低與電源路徑有關(guān)的IR壓降延長(zhǎng)了電池的運(yùn)行時(shí)間。

凌特公司的電源管理器IC系列解決了上述的設(shè)計(jì)問(wèn)題。在該領(lǐng)域中，實(shí)現(xiàn)了該功能的兩款主要的新產(chǎn)品是LTC4085 USB電源管理器和高電壓電池充電器的LTC4089源管理器。

USB電源管理器——LTC4085

LTC4085是一款面向便攜式USB設(shè)備的單片式自主電源管理器、理想二極管控制器和獨(dú)立型線性電池充電器。LTC4085具有PowerPath控制功能，可從USB VBUS或交流電適配器電源來(lái)為系統(tǒng)負(fù)載供電，并對(duì)單節(jié)鋰離子/聚合物電池進(jìn)行充電。為了與USB電流限值規(guī)格相符合，LTC4085將在系統(tǒng)負(fù)載電流增加時(shí)自動(dòng)減小電池充電電流。為了確保一個(gè)滿充電電池在連接總線時(shí)處于未被使用過(guò)的狀態(tài)，該IC通過(guò)USB總線來(lái)向負(fù)載輸送功率，而沒(méi)有采取從電池獲取功率的做法。一旦電源被拿掉，則電流將通過(guò)一個(gè)200mΩ內(nèi)部低損耗理想二極管從電池流至負(fù)載，從而最大限度地減少了壓降和功耗。提供了用于驅(qū)動(dòng)一個(gè)可選的外部GATE PFET連接器件的板載電路，以便在應(yīng)用需要的情況下把理想二極管的總阻抗降至30mΩ以下。

LTC4085的獨(dú)特功能是可檢測(cè)交流電適配器的接入，并將其用作一種在向系統(tǒng)負(fù)載供電的同時(shí)給電池充電的備用電源。LTC4085還提供了一種在交流電適配器接入的情況下以高于USB規(guī)格容許值(100/500mA)的額定值(高達(dá)1.5A)來(lái)對(duì)電池進(jìn)行充電的選項(xiàng)，這樣便能夠大幅度地提高電池的充電速度。用于充電終止的總充電時(shí)間由一個(gè)外部電阻器來(lái)設(shè)置。當(dāng)充電電流減小時(shí)，充電定時(shí)器周期將自動(dòng)延長(zhǎng)，以確保電池始終處于滿充電狀態(tài)。額外的功能包括自動(dòng)再充電、NTC熱敏電阻輸入、交流電適配器輸入被移除時(shí)自動(dòng)切換至電池、涌入電流限制、反向電流隔離、欠壓閉鎖和熱調(diào)整。

LTC4085的浮動(dòng)電壓預(yù)設(shè)為4.2V，0~85℃溫度范圍內(nèi)的保證準(zhǔn)確度為0.8%。充電電流可以很容易地利用一個(gè)電阻器來(lái)設(shè)置。對(duì)于電池預(yù)處理和適宜溫度充電認(rèn)證，將自動(dòng)地以10%的編程電流對(duì)完全放電的電池進(jìn)行涓流充電，直到電池電壓超過(guò)2.8V為止。LTC4085應(yīng)用電路如圖1所示。

圖1：LTC4085 USB電源管理器應(yīng)用電路

便利性和高功率特點(diǎn)

LTC4089和LTC4089-5是面向便攜式USB設(shè)備的自主電源管理器、理想二極管控制器和獨(dú)立型高電壓、高效率電池充電器。為了實(shí)現(xiàn)高效充電，它們的開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可適應(yīng)各種輸入，包括高達(dá)36V(最大值為40V)的高電壓電源(例如12V交流電適配器、汽車適配器和FireWire端口)。此外，它們還接受諸如5V適配器和USB等低電壓電源。LTC4089-5具有PowerPath控制功能，可從USB總線或交流電適配器電源向設(shè)備供電，并對(duì)設(shè)備的單節(jié)鋰離子電池進(jìn)行充電，而且還可在采用一個(gè)電量耗盡或嚴(yán)重不足的電池情況下實(shí)現(xiàn)“即時(shí)接通”操作。LTC4089的典型應(yīng)用電路如圖2所示。

圖2：LTC408典型應(yīng)用電路

為了與USB電流限值規(guī)格相符合，LTC4089-5將在系統(tǒng)負(fù)載電流增加時(shí)自動(dòng)減小電池充電電流。為了確保一個(gè)滿充電電池在連接總線時(shí)處于滿充電狀態(tài)終止，該IC通過(guò)USB總線來(lái)向負(fù)載輸送功率，而沒(méi)有采取從電池吸取功率的做法。一旦所有的電源均被拿掉，則電流將通過(guò)一個(gè)200mΩ內(nèi)部低損耗理想二極管從電池流至負(fù)載，因而最大限度地減少了壓降和功耗。提供了用于驅(qū)動(dòng)一個(gè)可選的外部PFET的板載電路，以便在應(yīng)用需要的情況下把理想二極管的總阻抗降至30mΩ以下，從而進(jìn)一步提高了工作效率。

當(dāng)LTC4089-5的電源從一個(gè)USB端口來(lái)提供時(shí)，電源管理器可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)負(fù)載可用功率的最大化，即增加至2.5W(500mA×5V)的滿USB可用功率。而且，它將根據(jù)系統(tǒng)負(fù)載電流來(lái)自動(dòng)地調(diào)節(jié)鋰離子/聚合物電池的充電電流，旨在保持總輸入電流與USB限值的一致性。

LTC4089的開關(guān)穩(wěn)壓器具有BAT-Track自適應(yīng)輸出控制功能，該功能極大地改善了其可提供1.2A充電電流的電池充電器的效率，因?yàn)殚_關(guān)穩(wěn)壓器的輸出電壓自動(dòng)地跟蹤電池電壓。LTC4089-5從高電壓輸入提供了一個(gè)固定的5V輸出，用于對(duì)單節(jié)鋰離子/聚合物電池進(jìn)行充電。該電池充電器的浮動(dòng)電壓預(yù)設(shè)為4.2V，在0~85℃溫度范圍內(nèi)保證準(zhǔn)確度為1.0%。充電電流可以很容易地通過(guò)一個(gè)電阻器來(lái)設(shè)置。用于充電終止的總充電時(shí)間由一個(gè)外部電容器來(lái)設(shè)置，并提供了一個(gè)C/10充電電流檢測(cè)輸出。額外的功能包括自動(dòng)熱調(diào)整、用于適宜溫度充電的NTC熱敏電阻輸入、電池的自動(dòng)再充電、反向電流隔離和欠壓閉鎖。LTC4089-5采用扁平(高度僅0.75mm)的纖巧型22引腳6mm×3mm DFN封裝，且保證可在-40~85℃的溫度范圍內(nèi)正常工作。

BAT-Track自適應(yīng)輸出控制

LTC4089的AT-Track功能是自適應(yīng)輸出控制的一種形式。它是電池充電器和開關(guān)穩(wěn)壓器的集成，這樣，開關(guān)穩(wěn)壓器將僅產(chǎn)生支持電池充電器所需的足夠電壓，而不會(huì)產(chǎn)生多余的電壓。對(duì)于線性電源路徑產(chǎn)品，輸入電壓與電池電壓之差在充電過(guò)程中被作為熱量而損失掉了。

當(dāng)實(shí)現(xiàn)一個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器時(shí)，在轉(zhuǎn)換開關(guān)的兩端產(chǎn)生盡可能大的壓降是有利的，因?yàn)樗梢愿咝У赝瓿?從輸入吸收的電流小于輸送至充電器的電流)。BAT-Track功能負(fù)責(zé)檢測(cè)BAT電壓，并把開關(guān)穩(wěn)壓器輸出VOUT調(diào)節(jié)至比電池電壓VBAT高300mV，從而最大限度地減少了因功率損耗所導(dǎo)致的發(fā)熱，可對(duì)電池進(jìn)行適當(dāng)?shù)某潆姴⒆畲笙薅鹊亟档涂偣?。這極大地改善了電池充電器的效率。例如：當(dāng)充電電流IBAT=600mA、VBAT=3.7V且充電器輸入電壓VIN=5V時(shí)，充電器的效率(采用項(xiàng)代入法)為：100×POUT/(POUT＋PDIS)=100×(VBAT×IBAT) /(VBAT×IBAT＋PDIS)=100×(VBAT×IBAT)/(VIN×IIN)=(3.7V×600mA)/(5V×600mA)=74%。

反之，如果充電器輸入電壓比VBAT高300mV，則充電器的效率為：100×(VBAT×IBAT)/(VIN×IIN)=(3.7V×600mA)/((3.7V＋0.3V)×600mA)=92.5%。

這種效率差異將顯著地降低功耗。而且，如果電池過(guò)度放電和VBAT下降至過(guò)低的電壓值，則最小VOUT應(yīng)為3.6V，以確保系統(tǒng)負(fù)載能夠獲得一個(gè)足夠的電源電壓。