背景便攜式電源的應(yīng)用范圍很廣，也很多樣化。產(chǎn)品包括消耗uW級平均功率的無線傳感器節(jié)點(diǎn)以及可用小車推著的、電池組耗電數(shù)百瓦-時(shí)的醫(yī)療或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。不過，盡管應(yīng)用種類很多，仍然出現(xiàn)了幾個(gè)趨勢，設(shè)計(jì)師日益要給產(chǎn)品供應(yīng)更大的功率，以支持不斷增多的功能，同時(shí)也在考慮怎么樣用任何可用電源給電池充電。要滿足第一種需求，就要提高電池容量。不幸的是，用戶大多比較心急，容量提高以后，還必須在一個(gè)合理的時(shí)間內(nèi)充滿電，這就導(dǎo)致要增大充電電流。要滿足第二種需求，就要求電池充電解決方法供應(yīng)極大的靈活性。本文將更詳細(xì)地討論這些問題。

更大的功率考慮一下新式手持式設(shè)備，面向消費(fèi)者的設(shè)備和工業(yè)設(shè)備都可能包括蜂窩電話調(diào)制解調(diào)器、Wi-Fi模塊、藍(lán)牙模塊、大尺寸背光照明顯示屏等等。很多手持式設(shè)備的電源架構(gòu)都與蜂窩電話的非常相似。一般情況下，用一個(gè)3.7V的鋰離子電池作為主電源，因?yàn)殇囯x子電池按重量和按體積的能量密度都很高(單位分別為Wh/kg和Wh/m3)。過去，很多大功率設(shè)備都采用7.4V鋰離子電池，以降低電流要求，不過低價(jià)5V電源管理IC的上市已經(jīng)促使越來越多的手持式設(shè)備采用了電壓更低的架構(gòu)。平板電腦很好地說明了這一點(diǎn)：一個(gè)典型的平板電腦有極多的功能以及非常大的顯示屏(就便攜式設(shè)備而言)。用3.7V電池供電時(shí)，其容量必須以數(shù)千毫安-小時(shí)計(jì)算。為了在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)給這樣一個(gè)電池充滿電，要數(shù)千mA的充電電流。

然而，假如沒有大電流交流適配器，盡管充電電流這么高，也不能防止消費(fèi)者用USB端口給大功率設(shè)備充電的想法。為了滿足這種需求，當(dāng)交流適配器可用時(shí)，電池充電器必須能以大電流(>2A)充電，而在沒有交流適配器可用時(shí)，電池充電器必須仍能高效地利用USB端口供應(yīng)2.5W至4.5W功率。此外，器件必須保護(hù)敏感的下游低壓組件免受可能出現(xiàn)過壓情況所導(dǎo)致的損壞，同時(shí)必須無縫地將大電流從USB輸入、交流適配器或電池傳送到負(fù)載，并最大限度地降低功耗。另外，該IC還必須安全地管理電池充電算法，并監(jiān)視關(guān)鍵的系統(tǒng)參數(shù)。

戰(zhàn)勝單節(jié)電池供電的便攜式產(chǎn)品在功率方面的挑戰(zhàn)盡管看似不可能找到能滿足上述要求的單個(gè)IC，不過看一下LTC4155，這是一個(gè)大功率、I2C控制的高效率電源通路(powerpath™)管理器、理想二極管控制器和鋰離子電池充電器。該IC用來從各種5V電源高效地傳送高達(dá)3A的電流，可出現(xiàn)超過3.5A的可用電流，以供電池充電和系統(tǒng)使用(參見圖1)。LTC4155的效率為88%至94%，因此即使電流值這么大，該IC仍然可以減輕熱量預(yù)算限制(參見圖2)。LTC4155的開關(guān)式電源通路拓?fù)錈o縫地管理從兩種輸入電源(例如一個(gè)交流適配器和一個(gè)USB端口)到設(shè)備中可再充電鋰離子電池的配電，同時(shí)當(dāng)輸入功率有限時(shí)，優(yōu)先為系統(tǒng)負(fù)載供電。

圖1：LTC4155的典型應(yīng)用電路

圖2：LTC4155的典型效率

與典型的線性模式充電器相比，LTC4155中開關(guān)穩(wěn)壓器的用途就像一個(gè)變壓器，允許VOUT上的負(fù)載電流超過輸入電源吸取的電流，并極大地提高電池充電的可用功率。前述例子說明了LTC4155怎么樣才能以高達(dá)3.5A的電流高效率地充電，以實(shí)現(xiàn)更快的充電時(shí)間。與普通的開關(guān)型電池充電器不同，LTC4155可即時(shí)接通工作，以確保即使電池沒電或已深度放電，當(dāng)一插上電源插頭，系統(tǒng)電源也立即可用。

盡管是以很高的速率給電池充電，監(jiān)視電池是否安全也是很重要的。當(dāng)電池溫度降至低于0°C或升至高于40°C[由一個(gè)外部負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻測量]時(shí)，LTC4155將自動(dòng)停止充電。除了這種自主式功能，LTC4155還供應(yīng)一個(gè)7位擴(kuò)展標(biāo)度模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，以大約1°C的分辨率監(jiān)視電池溫度(參見圖3)。結(jié)合4個(gè)可用的浮置電壓設(shè)定值和15個(gè)電池充電電流設(shè)定值，該ADC可基于電池溫度來建立定制的充電算法。

圖3：7位熱敏電阻器ADC顯示LTC4155的預(yù)置溫度跳變點(diǎn)

通過一個(gè)簡單的兩線I2C端口可獲得NTCADC的結(jié)果，從而能調(diào)節(jié)充電電流和電壓的設(shè)定值。該I2C端口通過控制16個(gè)輸入電流的設(shè)定值(包括USB2.0和3.0兼容設(shè)置)，還可供應(yīng)USB兼容性。該通信總線允許LTC4155指示額外的狀態(tài)信息，例如輸入電源狀態(tài)、充電器狀態(tài)和故障狀態(tài)。由于支持USBOTG，因此無需任何額外的組件，就可以反過來向USB端口供應(yīng)5V電源。

LTC4155的雙路輸入、優(yōu)先級多路復(fù)用器可根據(jù)用戶含義的優(yōu)先級(默認(rèn)的優(yōu)先級為適配器輸入)自主地選擇最合適的輸入(即墻上適配器或USB)。過壓保護(hù)(OVp)電路同時(shí)保護(hù)兩個(gè)輸入，以免這些輸入因無意間加上的高壓或反向電壓而損壞。LTC4155的理想二極管控制器保證即使輸入功率不足或未供應(yīng)輸入功率時(shí)，也始終可向VOUT供應(yīng)足夠的功率。

就平板電腦、工業(yè)條碼掃描器等很多便攜式應(yīng)用而言，能管理兩個(gè)輸入(例如USB和交流適配器)就足夠了。不過，便攜式設(shè)備的設(shè)計(jì)師一直在尋求用任何可用電源都能給電池充電的方法

多種輸入源用戶要用多種輸入源給電池充電有幾個(gè)原因。有些應(yīng)用也許要擺脫電網(wǎng)的束縛，而靠太陽能電池板供電。另一些應(yīng)用則可能要求能方便地用交流適配器、汽車電池或高壓工業(yè)及電信電源充電。無論出于何種原因，這要求都給電池充電系統(tǒng)新增了極大的負(fù)擔(dān)。大多數(shù)電池充電器都利用降壓型(開關(guān)或線性)架構(gòu)，用高于電池最高電壓的電壓源給電池充電。以前的充電器產(chǎn)品輸入電壓一般限制為大約30V。這樣的限制使設(shè)計(jì)師無法將電信電源或者具42V開路電壓的太陽能電池板作為可行的輸入電源。在有些情況下，希望使用的輸入電源電壓涵蓋了高于和低于電池電壓的范圍。設(shè)計(jì)一款應(yīng)對此類難題的解決方法通常要混合使用高精度的電流檢測放大器、ADC、一個(gè)用于控制充電的微處理器、一個(gè)高性能DC/DC轉(zhuǎn)換器以及一個(gè)理想二極管或多路復(fù)用電路。

強(qiáng)大的充電解決方法供應(yīng)無與倫比的靈活性LTC4000可將任何外部補(bǔ)償?shù)腄C/DC電源轉(zhuǎn)換成具電源通路(powerpath™)控制的全功能電池充電器?？捎蒐TC4000驅(qū)動(dòng)的典型DC/DC轉(zhuǎn)換器拓?fù)浒ǖ幌抻冢航祲?、升壓、降?升壓、SEpIC和反激式拓?fù)?。該器件供?yīng)精確的輸入和充電電流調(diào)節(jié)，在3V至60V的寬輸入和輸出電壓范圍內(nèi)工作，實(shí)現(xiàn)了與各種不同的輸入電壓源、以及不同尺寸和化學(xué)組成的電池組的兼容性。由于該器件的通用型配置，因此其典型應(yīng)用十分廣泛，包括高功率電池充電器系統(tǒng)、高性能便攜式儀器、電池后備系統(tǒng)、配有工業(yè)電池的設(shè)備以及筆記本/小型筆記本電腦。

除了可以與很多不同的DC/DC拓?fù)浣Y(jié)合，LTC4000的高壓能力還允許該器件構(gòu)成強(qiáng)大和幾乎可使用任何輸入電源(參見圖4和圖5)的電池充電解決方法。為了確保來自這些輸入的功率傳送給合適的負(fù)載，LTC4000采用了一種智能電源通路拓?fù)洌?dāng)輸入功率有限時(shí)，該拓?fù)淇蓛?yōu)先為系統(tǒng)負(fù)載供電。LTC4000控制外部pFET，以供應(yīng)低損耗反向電流保護(hù)、電池的低損耗充電和放電以及即時(shí)接通工作，這樣就可以確保即使在電池沒電或深度放電時(shí)，當(dāng)一插上電源，系統(tǒng)電源就能立即可用。外部檢測電阻器供應(yīng)輸入電流和電池充電電流信息，從而使LTC4000能與涵蓋mW至kW功率范圍的轉(zhuǎn)換器一起使用。

圖4：LTC4000和LTC3789：6V至36VIN、4節(jié)5A鋰離子電池充電器

圖5：圖4電路中系統(tǒng)負(fù)載為4A時(shí)效率隨VIN的變化

LTC4000的全功能電池充電控制器可為各種化學(xué)組成的電池充電，包括鋰離子/聚合物/磷酸、密封鉛酸(SLA)和鎳化學(xué)組成。該電池充電器還供應(yīng)精確的電流檢測功能，從而在大電流應(yīng)用情況下允許較低的檢測電壓。

結(jié)論新式便攜式產(chǎn)品設(shè)計(jì)師的工作極富挑戰(zhàn)性，尤其是涉及到電源時(shí)?？蛻舨粩嘁蟾喙δ芤詫?dǎo)致要更大的功率，結(jié)果是電池越來越大。同時(shí)，客戶希望可方便地用幾乎任何可用的電源給這些電池充電。盡管便攜式電源領(lǐng)域的這些趨勢造成了設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，但是LTC4155和LTC4000讓設(shè)計(jì)工作變得簡單多了。在低壓系統(tǒng)中，LTC4155高效率地供應(yīng)高達(dá)3.5A的充電電流，而且供應(yīng)很多高性能功能。LTC4000可構(gòu)成強(qiáng)大的充電解決方法，而且?guī)缀蹩墒褂萌魏屋斎?，從而供?yīng)了無與倫比的性能和靈活性。