背景
在很多細分市場(chǎng)上，電池充電的實(shí)際操作涉及多種電池化學(xué)組成、電壓和電流水平。例如：隨著(zhù)現有及全新電池化學(xué)組成之新型應用的不斷涌現 (太陽(yáng)能應用中密封鉛酸電池 [SLA] 使用量的急劇增加便是一個(gè)例子)，工業(yè)、醫療和汽車(chē)電池充電器都持續需要更高的電壓和電流。輸入電壓、充電電壓和充電電流的組合很多，基于單個(gè)集成電路 (IC) 的現有解決方案僅能滿(mǎn)足其中一部分組合的要求。人們一般用 IC 和分立式組件的笨重組合來(lái)滿(mǎn)足大多數電壓電流組合及拓撲的要求。
目前的市場(chǎng)趨勢表明，人們對大容量 SLA 電池重新產(chǎn)生了興趣，大容量 SLA 電池不再僅用于汽車(chē)了，這勉強算是一種復興吧。從價(jià)格/功率輸出的角度來(lái)看，汽車(chē)或“為啟動(dòng)供電的”SLA 電池并不算貴，可以提供短持續時(shí)間的大脈沖電流，從而非常適用于汽車(chē)和其他車(chē)輛啟動(dòng)器應用。深周期鉛酸電池是另一種在工業(yè)應用中非常流行的技術(shù)。這類(lèi)電池的極板比汽車(chē)電池厚，設計為放電至其滿(mǎn)充電量的 20%。這通常用于要求在較長(cháng)時(shí)間內供電的應用，例如在叉車(chē)和高爾夫球推車(chē)等。然而，鉛酸電池對過(guò)充電非常敏感，因此小心謹慎地充電非常重要。
顯然，太陽(yáng)能供電應用在增加。各種不同尺寸的太陽(yáng)能電池板現在能給各種創(chuàng )新性應用供電，例如人行橫道標志燈、垃圾壓實(shí)機、海上航標燈等應用。在太陽(yáng)能供電應用中使用的電池是一種深周期電池，除了深度放電以外，還能承受長(cháng)時(shí)間重復的充電周期。這種類(lèi)型的電池常見(jiàn)于“脫離電網(wǎng)” (即未與電力公司的供電網(wǎng)連接) 的可再生能源系統，例如太陽(yáng)能或風(fēng)力發(fā)電系統。
“一體化”充電器在哪里?
設計師一開(kāi)始設計充電解決方案時(shí)，會(huì )遇到一些更為棘手的問(wèn)題，包括高輸入電壓要求、需要給大容量電池充電、輸入電壓范圍高于和低于電池電壓范圍等。此外，更糟糕的是，有很多應用沒(méi)有專(zhuān)有和簡(jiǎn)單的電池充電解決方案。這類(lèi)應用的例子包括：
• 由很多節電池串聯(lián)組成的電池組 ━━ 現在沒(méi)有適用于 >4 節鋰離子電池的 IC 解決方案
• 高輸入電壓應用 – 現在沒(méi)有高于 30V 至 40V 的 IC 解決方案
• 降壓-升壓型應用和隔離式拓撲 (例如反激式配置)
由于 IC 設計的復雜性，現有電池充電控制器主要限于降壓型架構。一些現有解決方案可以給多種化學(xué)組成的電池充電，有些解決方案提供內置的終止功能。不過(guò)，直到現在，也沒(méi)有哪款充電器能提供解決上述所有問(wèn)題所必需的性能。大功率電池充電器系統、便攜式儀器、配備電池的工業(yè)設備和通用充電系統都可能成為這樣一種充電器的流行應用。
一種新的 IC 解決方案
解決上述問(wèn)題的 IC 充電解決方案需要擁有如果不是全部、也是很多以下特性：
• 靈活性：該解決方案必須能與各種不同的開(kāi)關(guān)拓撲一起運行
• 寬輸入電壓范圍
• 寬輸出電壓范圍以滿(mǎn)足多個(gè)電池組的需求
• 能給多種化學(xué)組成的電池充電
• 簡(jiǎn)單、自主工作 (無(wú)需微處理器)
• 大的輸出電流
• 占板面積小和扁平的解決方案
• 先進(jìn)的封裝以改善熱性能和空間利用率
具電源通路 (PowerPath™) 控制和輸入電流限制的典型同類(lèi)解決方案非常復雜，由一個(gè) DC-DC 開(kāi)關(guān)穩壓器、一個(gè)微處理器加上幾個(gè) IC 和分立式組件組成。不過(guò)，由于凌力爾特推出了新的 LTC4000 電池充電控制器，所以現在更簡(jiǎn)單的解決方案唾手可得了。
LTC4000
LTC4000 是一款高壓控制器和電源管理器，幾乎能將任何外部補償的 DC/DC 電源轉換成全功能電池充電器，參見(jiàn)圖 1。LTC4000 能驅動(dòng)典型的 DC/DC 轉換器拓撲，包括降壓型、升壓型、降壓-升壓型、SEPIC 和反激式拓撲。該器件提供精確的輸入和充電電流調節，在 3V 至 60V 的寬輸入和輸出電壓范圍內工作，從而可與各種差分輸入電壓源、電池組和電池化學(xué)組成兼容。典型應用包括高功率電池充電器系統、高性能便攜式儀器、電池后備系統、配有工業(yè)電池的設備以及筆記本電腦 / 迷你型筆記本電腦。
圖 1：LTC4000 的典型應用電路
LTC4000 采用智能電源通路拓撲，當輸入功率有限時(shí)，優(yōu)先向系統負載供電。LTC4000 控制兩個(gè)外部 PFET，以提供低損耗反向電流保護、電池的高效率充電和放電、以及即時(shí)接通工作，從而確保即使電池沒(méi)電或深度放電時(shí)，一插上電源插頭就有系統電源。外部檢測電阻器和精確檢測能在高效率時(shí)提供準確的電流，從而允許 LTC4000 與涵蓋毫瓦至千瓦功率范圍的轉換器一起工作。
LTC4000 的全功能控制器能給各種化學(xué)組成的電池充電，包括鋰離子 / 聚合物 / 磷酸鹽、密封鉛酸及基于鎳的電池。該器件還通過(guò) FLT 和 CHRG 引腳提供充電狀態(tài)指示信號。該電池充電器的其他特色包括：±0.25% 的可編程浮置電壓、可選定時(shí)器或 C/X 電流終止、利用 NTC 熱敏電阻器實(shí)現的溫度合格的充電、自動(dòng)再充電、面向深度放電電池的 C/10 涓流充電和壞電池檢測。
LTC4000 采用扁平 (0.75mm) 28 引腳 4mm x 5mm QFN 封裝和 28 引線(xiàn) SSOP 封裝。該器件在 -40C 至 125C 的溫度范圍內工作是有保證的。其關(guān)鍵特色如下：
• 與一個(gè) DC/DC 轉換器配對使用時(shí)，可實(shí)現一個(gè)完整的高性能電池充電器
• 寬輸入和輸出電壓范圍：3V 至 60V
• 輸入理想二極管實(shí)現低損耗反向隔離和負載共享
• 輸出理想二極管實(shí)現低損耗電源通路和與電池的負載共享
• 電源通路控制
• 在電池深度放電時(shí)即時(shí)接通工作
• 可編程輸入和充電電流：準確度為 ±1%
• 準確的可編程浮置電壓 (室溫時(shí)為 ±0.2%，隨溫度變化為 ±1%)
• 可編程 C/X 或基于定時(shí)器的充電終止
• NTC 輸入以實(shí)現在合格的溫度條件下充電
對外部 DC/DC 轉換器的全面控制
LTC4000 需要一個(gè)外部補償的開(kāi)關(guān)穩壓器以構成一個(gè)完整的電池管理解決方案。系統性能將基于 LTC4000 與之配對的開(kāi)關(guān)穩壓器類(lèi)型的不同而變化。
LTC4000 包括 4 個(gè)不同的調節環(huán)路：輸入電流、充電電流、電池浮置電壓和輸出電壓 (A4―A7)，請看下面的方框圖。無(wú)論哪一個(gè)環(huán)路都需要 ITH 引腳上的電壓最低，以穩定控制外部 DC/DC 轉換器。輸入電流調節環(huán)路確保在穩定狀態(tài)時(shí)不超過(guò)所設定的輸入電流限制 (利用 IL 引腳上的電阻器)。充電電流調節環(huán)路確保，不超過(guò)所設定的電池充電電流限制 (利用 CL 引腳上的電阻器)。
浮置電壓調節環(huán)路可確保編程電池組電壓 (采用一個(gè)通過(guò) BFB 從 BAT 連接至 FBG 的電阻器來(lái)設置) 不被超過(guò)。輸出電壓調節環(huán)路則用于確保編程系統輸出電壓 (采用一個(gè)通過(guò) OFB 從 CSP 連接至 FBG 的電阻分壓器來(lái)設置) 不被超過(guò)。另外，LTC4000 還提供了輸入電流和充電電流監視引腳 (分別為 IIMON 和 IBMON 引腳)。
圖 2：LTC4000 方框圖
DC/DC CONVERTER：DC/DC 轉換器
SYSTEM LOAD：系統負載
INPUT IDEAL DIODE DRIVER：輸入理想二極管驅動(dòng)器
LINEAR GATE DRIVER AND VOLTAGE CLAMP：線(xiàn)性柵極驅動(dòng)器和電壓箝位
ENABLE CHARGING：使能充電
BATTERY IDEAL DIODE AND INSTANT-ON DRIVER：電池理想二極管和即時(shí)接通驅動(dòng)器
ITH AND CC DRIVER：ITH 和 CC 驅動(dòng)器
LOGIC：邏輯電路
OSCILLATOR：振蕩器
BATTERY PACK：電池組
靈活的演示電路
凌力爾特的演示電路 DC1721A-A 是一個(gè) 14.6V、5A 電池充電器和電源通路管理器，采用了輸入范圍為 6V 至 36V 的降壓-升壓型轉換器，該轉換器采用 LTC4000 / LTC3789，針對 4 節 LiFePO4 電池應用。參見(jiàn)圖 3 的系統方框圖。
圖 3：采用 LTC4000 / LTC3789 演示電路板系統的方框圖
Rsense-input：Rsense-輸入
DC-DC CONVERTER：DC-DC 轉換器
Rsense-charge：Rsense-充電
NOT ON THE BOARD：不在電路板上
這個(gè)演示電路板的輸出專(zhuān)門(mén)為 Tenergy 的 10Ahr 電池而定制。其他電壓可以通過(guò)改變外部電阻器來(lái)設定。利用微調電阻器可以準確地微調所希望的標稱(chēng)電壓。設計該電路的目的是要說(shuō)明在一個(gè)具智能電源通路 (PowerPath) 管理器的降壓-升壓型轉換器電池充電器中使用這些器件能獲得高性能水平、效率與小巧解決方案尺寸。
該電路以 400kHz 工作，在 6V 至 36V 的輸入電壓范圍內，產(chǎn)生穩定的 5A/14.6V 電池充電器輸出以及高達 6.25A 的系統輸出，適用于種類(lèi)繁多的便攜式應用 (包括儀表、工業(yè)設備、電動(dòng)工具和電腦)。該電路的總體占板面積為 12.4cm2 (如果僅用 LTC4000 電路，則為 3.6cm2)，從而能實(shí)現非常緊湊的解決方案 (參見(jiàn)圖 4)。同步整流有助于在滿(mǎn)負載和標稱(chēng)輸入時(shí)獲得超過(guò) 96% 的效率 (參見(jiàn)圖 5).
圖 4：DC1721A 演示電路板照片 (實(shí)際尺寸為 5.5 英寸 × 2.85 英寸)
圖 5：DC1721A 從 VIN 至 VOUT_SYS 的效率
EFFICIENCY：效率
為了增加電路評估和仿真功能，不久將推出演示電路 DC1830，從而允許 LTC4000 電路板與采用其他兼容 DC/DC 轉換器的獨立評估電路板連接。
結論
LTC4000 是一款高壓、大電流電池充電控制器和電源通路管理器，與任何外部補償 (ITH/VC 引腳) 的 DC-DC 轉換器相結合，可構成強大的電池充電和電源管理解決方案。該器件幾乎與采用任何拓撲的開(kāi)關(guān)都兼容，包括 (但不限于) 降壓型、升壓型、降壓-升壓型、SEPIC 和反激式拓撲。LTC4000 的全功能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 / 磷酸鹽、密封鉛酸和基于鎳的電池。LTC4000 采用緊湊、扁平 (0.75mm) 的 28 引腳 4mm x 5mm QFN 封裝，或者有引線(xiàn)的 28 引線(xiàn) SSOP 封裝。這極大地簡(jiǎn)化了一度非常困難的設計任務(wù)。 |
