背景

通過(guò) I2C 總線(xiàn)傳送數據的應用已經(jīng)成熟，不過(guò)支持這種接口的電源管理 IC 極少。I2C 是一種簡(jiǎn)單的小帶寬、短距離、兩線(xiàn)總線(xiàn)，這種總線(xiàn)不需要芯片選擇或判優(yōu)邏輯。這種協(xié)議提供內置的設備尋址、一個(gè)讀/寫(xiě)標志和一種簡(jiǎn)單的確認機制，以確認數據接收。它是一種非常簡(jiǎn)單和具有成本優(yōu)勢的數據串傳送方法。

USB 端口也是一種傳送高速數據的流行方法，這種端口已經(jīng)成為便攜式設備電池充電的首選方法，從而使單獨的交流適配器成為可選配件。不過(guò)，采用 USB 端口充電時(shí)，有功率限制。模擬 IC 中的電源通路 (PowerPathTM) 充電系統拓撲消除了這些限制，從而為系統設計師和最終產(chǎn)品用戶(hù)提供了無(wú)數好處，例如能夠自主和無(wú)縫地管理多個(gè)電源，以支持系統負載和給電池充電，同時(shí)從 USB 端口抽取最大功率。這種 IC 拓撲減少了熱量、使充電時(shí)間更短并提供即時(shí)接通工作。

盡管技術(shù)已經(jīng)改進(jìn)了，但是便攜式設備的電池仍然需要保護和調理，以使它們以最佳狀態(tài)運行。鋰離子/聚合物電池一些潛在的有害問(wèn)題包括超過(guò)浮置電壓 (不恰當地終止充電周期) 、很高的充電量、以及高壓和高溫同時(shí)出現。

設計挑戰

消費者需要短的電池充電時(shí)間，對于產(chǎn)品設計師來(lái)說(shuō)，提高充電電流似乎是一個(gè)顯然的選擇。但是這引起了兩個(gè)主要弊端。首先，如果用線(xiàn)性充電器，提高的電流導致功耗增加，而功耗轉化為熱量。其次，視主器件商所定模式的不同，充電器必須將從 5V USB 總線(xiàn)吸取的電流限制到 100mA (500mW) 或 500mA (2.5W)。在充電過(guò)程中浪費的任何功率都直接導致更長(cháng)的充電周期時(shí)間和熱量增加。這種對高效率充電的需求，加之電池充電器 IC 所需的高功能集成度，以及節省電路板空間和提高產(chǎn)品可靠性的需求，施加了極大的設計壓力。

鋰離子/聚合物化學(xué)組成的電池提供便攜式電子設備必需的高性能功能，但是這些電池必須謹慎對待。例如，如果充電至比推薦的浮置電壓高 100mV，那么鋰離子/聚合物電池可能變得不穩定。此外，高壓和高溫同時(shí)存在會(huì )對電池產(chǎn)生有害影響，在極端情況下，可能會(huì )毀壞電池。隨著(zhù)便攜式產(chǎn)品變得更加復雜，功耗提高了，從而需要容量更高的電池。大容量電池或者需要更大的充電電流，或者需要延長(cháng)充電時(shí)間，以達到滿(mǎn)容量。另外，由于 USB 兼容的電池充電對用戶(hù)來(lái)說(shuō)更方便，因此成為首選。不過(guò)，如前所述，這種兼容性造成了在 5V 時(shí) 500mA 電流的限制 (最大功率 2.5W)，從而限制了從 USB 端口吸取的功率。所以，一個(gè)基于 USB 的電池充電器必須盡可能高效率地從 USB 端口抽取盡可能多的功率，以最大限度地減少最終產(chǎn)品內的任何熱限制，同時(shí)向負載提供最大功率。

管理最終產(chǎn)品內的電源通路也是一個(gè)極大的設計挑戰。在今天的電池供電型便攜式電子產(chǎn)品中，很多可以用諸如 5V 交流適配器、USB 端口或鋰離子/聚合物電池等低壓電源以及高壓電源供電。不過(guò)，自主管理這些不同的電源和電池之間的電源通路 (同時(shí)向負載供電) 造成了巨大的技術(shù)難題。傳統上，通過(guò)使用少量 MOSFET、運算放大器和其它組件，設計師試圖以分立方式實(shí)現這一功能，但是面臨著(zhù)熱插拔、大浪涌電流和負載上高電壓瞬態(tài)等巨大的難題，這可能引起大的系統可靠性問(wèn)題。

除了電源通路管理，命令控制是另一個(gè)設計問(wèn)題。極少有行業(yè)電源管理 IC 提供 I2C 控制功能，但是在很多新式便攜式產(chǎn)品中，支持遙測 (雙向通信和控制) 的需求在增加。迄今為止，這種功能一般都是與電源管理 IC 一起在外部實(shí)現。不過(guò)，這種趨勢正在改變，因為實(shí)現方法正在得到簡(jiǎn)化。

系統設計師的主要挑戰可以總結如下：
• 在高溫和滿(mǎn)充電電壓情況下，最大限度地延長(cháng)電池壽命和提高安全性
• 集成可編程性和遙測功能，以縮短設計和調試時(shí)間，并提高靈活性和電源管理系統的可見(jiàn)性
• 管理多個(gè)輸入電源和電池之間的電源通路，同時(shí)向負載供電
• 最大限度地提高從 USB 端口提供的電流 (可獲得 2.5W)
• 最大限度地減輕熱量問(wèn)題，同時(shí)快速充電
• 最大限度地提高充電效率和延長(cháng)電池使用壽命
• 最大限度地減小解決方案占板面積和高度

一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案

滿(mǎn)足上述電池充電器 IC 設計限制的任何解決方案都必須是緊湊、單片 IC，并具有通過(guò)I2C 總線(xiàn)實(shí)現的自主電源管理功能以及多種回讀和可編程性功能 (雙向通信和控制)。這樣的器件還需要保護和獲得鋰離子/聚合物電池的最高性能。

此外，電源通路管理器的主要目標是，不管可獲得的是什么電源 (輸入電源或電池)，都可以用其為系統供電，同時(shí)次要目標是，在必要時(shí)給電池充電。在線(xiàn)性和開(kāi)關(guān)拓撲中都可能看到與電源通路管理器集成的電池充電器，因為視具體充電要求的不同，這兩種拓撲每一種都可能對系統有利。盡管在高效率傳送系統功率方面，線(xiàn)性電源通路架構比電池饋送系統有優(yōu)勢，但是功率在線(xiàn)性電池充電器單元有損失，尤其是在電池電壓很低的情況時(shí) (由于輸入電壓和電池電壓之間大的壓差)。

開(kāi)關(guān)模式電源通路系統的優(yōu)勢

基于開(kāi)關(guān)模式的電源通路架構通過(guò)一個(gè) USB 兼容的降壓型開(kāi)關(guān)穩壓器產(chǎn)生一個(gè)中間總線(xiàn)電壓，該降壓型開(kāi)關(guān)穩壓器穩定在比電池電壓略高一點(diǎn)的電壓上，參見(jiàn)圖 1。凌力爾特公司將這種自適應輸出控制形式稱(chēng)為電池跟蹤 (Bat-TrackTM)。這個(gè)穩定的中間電壓剛好足夠高，以允許通過(guò)內部線(xiàn)性充電器進(jìn)行恰當的充電。不過(guò)，通過(guò)以這種方式跟蹤電池的電壓，最大限度地減少了損失在線(xiàn)性電池充電器中的功率，從而減少了熱量，并確保最大限度地增大提供給負載的功率。這種開(kāi)關(guān)架構具平均輸入電流限制，最大限度地提高了充分利用可從 USB 電源獲得 2.5W 功率的能力。一個(gè)可選外部 PFET 降低了電池和負載之間的理想二極管阻抗，從而進(jìn)一步減少了熱量。這種架構對于具有大容量 (>1.5Ahr) 電池的系統來(lái)說(shuō)是必需的。

圖 1：簡(jiǎn)化的開(kāi)關(guān)電源通路電路

TO AUTOMOTIVE, FIREWIRE, ETC.：至汽車(chē)、Firewire 等
HIGH VOLTAGE STEP-DOWN SWITCHING REGULATOR：高壓降壓型開(kāi)關(guān)穩壓器
OVERVOLTAGE PROTECTION：過(guò)壓保護
Bat-Track HV CONTROL：電池跟蹤 HV 控制
FROM USB OR WALL ADAPTER：自 USB 或交流適配器
TO SYSTEM LOAD：至系統負載
PWM AND GATE DRIVE：PWM 和柵極驅動(dòng)
CONSTANT-CURRENT CONSTANT-VOLTAGE BATTERY CHARGER：
恒定電流恒定電壓電池充電器
IDEAL DIODE：理想二極管
OPTIONAL EXTERNAL IDEAL DIODE：可選外部理想二極管
AVERAGE INPUT CURRENT LIMIT CONTROLLER：平均輸入電流限制控制器
AVERAGE OUTPUT VOLTAGE LIMIT CONTROLLER：平均輸出電壓限制控制器
SINGLE-CELL ：?jiǎn)喂濍姵?br /> Li-Ion：鋰離子

高效率充電與完全 I2C 控制相結合

LTC4099 是一個(gè) I2C 自主控制的高效率電源管理器、鋰離子/聚合物電池充電器，用于便攜式 USB 供電設備，例如媒體播放器、數碼相機、個(gè)人導航設備、智能電話(huà)、以及工業(yè)和醫療用手持式設備。LTC4099 的開(kāi)關(guān)電源通路拓撲無(wú)縫地管理交流適配器或 USB 端口和設備電池之間的電源通路，同時(shí)優(yōu)先向系統負載供電。對于汽車(chē)、Firewire 或其它高壓應用而言，LTC4099 提供對一個(gè)伴隨開(kāi)關(guān)穩壓器的電池跟蹤控制，從而最大限度地提高電池充電器效率，并降低功耗。例如，當與 LT3653 配合使用時(shí) (LT3653 提供直至高達 30V 的輸入電壓，并可承受 60V 瞬態(tài))，LTC4099 在 USB 和更高電壓的電源之間提供無(wú)縫轉換。LTC4099 采用 20 引腳 3mm x 4mm QFN 封裝，保證在 -40C 至 85C 的溫度范圍內工作。

LTC4099 提供很多其它功能。它用一個(gè)過(guò)壓保護 (OVP) 電路防止偶然加在 USB 輸入上的高壓引起的損壞  ――  用一個(gè)外部 NFET/電阻器組合提供高達 66V 的保護，參見(jiàn)圖 2 以獲得詳細信息。另外，LTC4099 的“即時(shí)接通”工作確保加電后系統負載供電，甚至在電池深度放電時(shí)也一樣。其內置理想二極管保證，即使 LTC4099 輸入引腳的功率不充足，VOUT 也總是能獲得充足的功率。該器件的理想二極管控制器可用來(lái)驅動(dòng)一個(gè)可選 PFET 的柵極，從而將負載和電池之間的阻抗降至 30mΩ 或更低。

圖 2：LTC4099 的簡(jiǎn)化方框圖

I2C 控制的高效率電池充電器/USB 電源管理器
OVERVOLTAGE PROTECTION：過(guò)壓保護
TO µCONTROLLER：至微控制器
SYSTEM LOAD：系統負載

完全 I2C 控制

LTC4099 具有相當高的內置可調節性，以便通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的兩線(xiàn) I2C 端口控制和監視功率值和狀態(tài)信息。

可通過(guò) I2C 編程設定的參數 (能夠激活)：
• 平均輸入電流限制
• 充電電流
• 電池浮置電壓：4.1V 或 4.2V
• 充電終止定時(shí)器：1 至 8 小時(shí)，以 1 小時(shí)為增量
• 充電終止指示電流
• 充電器禁止/重啟
• 電池查驗及調理電路啟動(dòng)
• 熱調節設定點(diǎn)：+85°C 或 +105°C
• 暫停 LDO 輸入電流：500µA 或 2.5mA

通過(guò) I2C 提供的指示/回讀遙測參數：
• USB 電源存在
• 交流電源存在
• 壞電池 (預充電門(mén)限)
• 熱調節中的充電器
• UVLO
• 充電器狀態(tài) (充電器 OFF、恒定電流)
• 滿(mǎn)容量充電 (C/x)
• 熱敏電阻狀態(tài) (溫度故障、電池太熱、電池太涼、溫度過(guò)高)

快速和高效率充電

LTC4099 的全功能單節鋰離子/聚合物電池充電器允許充電電流超過(guò)從 USB 端口吸取的電流，同時(shí)符合 USB 負載規范。就快速和高效率充電而言，該 IC 的開(kāi)關(guān)輸入級幾乎將可從 USB 端口獲得的 2.5W 功率全部轉換成電流，從而可從一個(gè) 500mA 限制的 USB 端口實(shí)現高達 600mA 的充電電流或 700mA 的系統負載電流，參見(jiàn)圖 3，以詳細了解與線(xiàn)性電池充電器 IC 相比時(shí)，功耗降低的情況。用交流適配器供電時(shí)，還可獲得高達 1.5A 的充電電流。就改進(jìn)安全裕度而言，可選用一個(gè)集成的過(guò)熱電池查驗及調理電路來(lái)降低電池電壓，以防高電池溫度和高電池電壓同時(shí)出現。此外，該充電器包括熱限制、自動(dòng)再充電、具自動(dòng)充電終止和固定持續時(shí)間安全定時(shí)器的獨立工作、低壓涓流充電、壞電池單元檢測和一個(gè)用于溫度合格充電的熱敏電阻輸入。LTC4099 的一個(gè)額外的特點(diǎn)是具有一個(gè)暫停 LDO，當某個(gè)設備被連接至一個(gè)暫停 USB 端口時(shí)，該 LDO 可在負載電流小于可用的 2.5mA 暫停電流的情況下防止電池漏電。

圖 3：功耗比較

功耗降低與線(xiàn)性電池充電器
POWER DISSIPATION：功耗
LINEAR BATTERY CHARGER：線(xiàn)性電池充電器
ADDITIONAL POWER AVAILABLE FOR CHARGING：充電可獲得的額外功率
SWITCHING BATTERY CHARGER：開(kāi)關(guān)電池充電器
BATTERY VOLTAGE：電池電壓

電池查驗及調理電路

鋰離子/聚合物電池如果存放在高溫環(huán)境并完全充電，那么有效壽命會(huì )縮短。當電池達到熱敏電阻測量的某個(gè)溫度時(shí)，LTC4099 內的電池調理器電路就通過(guò)釋放一些電池能量，將電池電壓降至一個(gè)安全水平，以此用來(lái)保護電池免受損壞。電池查驗器可以通過(guò) I2C 通道起動(dòng)或禁止 (默認)。熱敏電阻測量電路運用一種采樣方法來(lái)實(shí)現超低功耗，以便可以啟動(dòng)電池查驗器功能，而不會(huì )明顯地增大電池放電電流。通過(guò) I2C 端口啟動(dòng)時(shí)，無(wú)論是否可獲得外部電源，電池查驗器都工作，而且不受充電器狀態(tài)影響。

如果熱敏電阻溫度達到 45°C，就禁止 LTC4099 的電池充電。如果熱敏電阻溫度上升至高于 60°C，而且啟動(dòng)了電池查驗器電路，那么就給 BAT 引腳加上一個(gè)約為 180mA 的內部負載。一旦電池電壓降至 3.9V，或熱敏電阻讀數降至低于 58°C，那么就禁止內部負載。一旦熱敏電阻溫度降至低于 42°C，電池充電就恢復。

結論

電池供電型產(chǎn)品的設計師受到以下需求的挑戰：輸入電源便利性和高效率數據傳送以及快速充電、低功耗和 USB 兼容性。諸如高壓和高溫同時(shí)出現等情況可能對電池造成有害影響。同時(shí)，要求設計方案竭盡所能節省電路板空間、降低制造成本并提高產(chǎn)品可靠性。凌力爾特公司日益擴大的開(kāi)關(guān)模式電源通路管理器 IC 系列使得產(chǎn)品設計師的工作容易許多。這些 IC 能夠從 USB 端口抽取更多功率，無(wú)縫地管理不同輸入電源和電池之間的電源流動(dòng)，同時(shí)優(yōu)先向負載供電，通過(guò)運用更少和更小的外部組件簡(jiǎn)化設計。LTC4099 滿(mǎn)足所有這些以及更多需求。它是一個(gè)自主開(kāi)關(guān)模式電源管理器 IC，提供基于 I2C 的遙測、快速 1.5A 充電能力、內置充電終止、高壓工作和電池查驗及調理電路，所有這些功能都包含在一個(gè)簡(jiǎn)單和緊湊的解決方案中。