可采用任何5V 電源給高容量電池充電，同時(shí)保持低運行溫度

便攜式電子產(chǎn)品設計人員面臨著(zhù)這樣的挑戰，就是要開(kāi)發(fā)出既“無(wú)所不能”同時(shí)又可在一次電池充電之后“永久運行”的設備。雖然不可能完全解決這一難題，但電池技術(shù)的逐代升級進(jìn)步至少是在逼近該目標。由于許多便攜式設備目前已擁有了色彩鮮亮的大型觸感顯示屏、多內核 CPU 和圖形處理器、以及各種各樣用于在地球任何地方實(shí)現高速通信的無(wú)線(xiàn)調制解調器，因此高容量電池是不可或缺的。電池制造商已憑借容量超過(guò) 30瓦特-小時(shí) (Wh) 的輕量緊湊型電池滿(mǎn)足了上述要求。

雖然 USB 已成為設備互連、同步和數據交換的主導標準，但其功率輸送能力卻未能跟上電池的需求。USB 2.0 可允許 2.5W 的最大負載，USB 3.0 則將該限值提高至 4.5W。即使具有理想的效率，以及所有的電能都直接進(jìn)入電池，采用 USB 的完整充電周期仍然需要整個(gè)夜晚。雖然 USB 不適合用作大容量電池的主電源，但在可能的情況下幸好有這電源，所以其仍然具有極大的價(jià)值，并且當設備與傳統計算機相連時(shí)，就可避免電池消耗。

兩全其美

LTC4155 是一款單片式開(kāi)關(guān)電池充電器，可在緊湊的 PCB 占板面積內高效地提供 3.5A 充電電流。圖 1 示出了典型應用中所需的組件。2.25MHz 開(kāi)關(guān)頻率允許使用小的電感器和旁路電容器，從而最大限度地縮減總體 PCB 占用面積。

圖 1：I2C 控制型高功率電池充電器 / USB 電源管理器

即使在充電電流達幾個(gè)安培的情況下，高效率 (圖 2) 也是至關(guān)緊要的，不僅對于實(shí)現可用輸入功率的最優(yōu)利用，對于控制便攜式設備內部的功率耗散也是如此。在嚴密封閉的空間里，高功率耗散與勉強合格的散熱性能之組合將使一部采用低效充電解決方案的設備溫度過(guò)高，用戶(hù)拿在手里會(huì )很不舒服。為了幫助保持設備的低運行溫度，LTC4155 的集成型電源開(kāi)關(guān)具有遠低于 100mΩ 的導通電阻。

圖 2：開(kāi)關(guān)穩壓器效率

雖然 LTC4155 的電源開(kāi)關(guān)規格是為處理高于 USB 限值的電流而確定的，但 LTC4155 保持了與 USB 規范的全面兼容性以便提供充電。輸入電流在內部自動(dòng)測量，并被限制為 16 種 I2C 用戶(hù)可選值中的任一種。在這些設定值中，有 3 種對應于保證的最大限值：100mA 和 500mA (對于 USB 2.0) 以及 900mA (對于 USB 3.0)。另外，通過(guò)選擇其他最大值高達 3A 的限流設定值中的任一種，自動(dòng)輸入電流限制功能還可與 AC 適配器或其他電源配合使用。

LTC4155 支持一個(gè)可通過(guò)引腳設置的上電默認輸入電流。對于那些不需要具備 USB 兼容性的高功率應用，由連接至 CLPROG1 引腳的單個(gè)電阻器負責設置一個(gè)默認的上電輸入電流。該電阻器的選擇旨在對應一個(gè)最適合特定應用以及預期電源能力等的初始電流限值。在上電之后，輸入電流限值可在 I2C 控制下修改為 16 種其他可用設定值 (高達 3A) 中的任一種。

對于 USB 應用，可以把 CLPROG1 和 CLPROG2 引腳連接在一起，以將 LTC4155 設置為實(shí)施 USB 限流規則。當施加外部電源時(shí)，輸入電流限值將默認為 100mA。在采用 USB 主機控制器進(jìn)行了成功的枚舉之后，輸入限流設定值可在 I2C 控制之下適當地增加至 500mA 或 900mA。圖 3 示出了至系統負載和電池充電器的可用電流。請注意，開(kāi)關(guān)穩壓器輸出電流大于 USB 規范所限制的輸入電流。假如系統檢測出電源是一個(gè) AC 適配器、專(zhuān)用 USB 充電器、或其他非 USB 型電源，則輸入限流設定值可在 I2C 控制下增加至任何其他設定值 (可高達 3A)。

圖 3：符合 USB 規范的可用負載電流 (在電池放電之前)

多個(gè)輸入連接器的無(wú)縫處理

LTC4155 可選擇接受來(lái)自?xún)蓚�(gè)電源的輸入之一，從而解決了巧妙地將電源從兩個(gè)不同的物理連接器傳送至產(chǎn)品的難題。當兩個(gè)輸入電源同時(shí)連接時(shí)，使用哪個(gè)電源的決定基于一種可由用戶(hù)自行設置的優(yōu)先級。只要每個(gè)輸入電壓都處在有效的工作范圍之內，那么選擇其中任何一個(gè)都是可以的，無(wú)需理會(huì )究竟哪個(gè)的電壓更高。例如：這使得一個(gè) 4.5V/2A AC 適配器的優(yōu)先級高于一個(gè) 5V/500mA USB 端口。如果 USB 連線(xiàn)被移除，而將一個(gè) 5V/3A AC 適配器連接至相同的端口，則輸入電源優(yōu)先級可通過(guò) I2C 進(jìn)行修改，以切換至功率較高的新電源。

LTC4155 支持其兩個(gè)電源輸入各具有獨立的 I2C 可編程輸入電流限值。當優(yōu)先級較高的輸入電源斷接時(shí)，充電將會(huì )不間斷地繼續進(jìn)行，并自動(dòng)減小至新的較低最大輸入電流限值。無(wú)需系統微控制器直接干預處理。

視針對輸入多路復用器所選擇的外部組件的不同，如果應用需要，則可輕松實(shí)現高達 ±77V 的過(guò)壓和反向電壓保護。此外，LTC4155 還能為 USB 連接器產(chǎn)生一個(gè) USB On-The-Go 5V電流限制電源，而無(wú)需使用任何附加的外部組件。

豐富的可編程性和遙測用于實(shí)現高級充電算法

LTC4155 提供了連續 I2C 狀態(tài)報告功能，從而使系統軟件能全面了解輸入電源的狀態(tài)、故障情況、電池充電循環(huán)狀態(tài)、電池溫度和多項其他性能參數。

主要的充電參數可在 I2C 控制下變更，以執行定制的充電算法。與基于微控制器的充電算法或其他可編程型充電算法不同，LTC4155 在軟件 I2C 控制下可使用的所有可能之設定值均針對了電池的本質(zhì)安全性。浮置電壓絕對不能設置在 4.2V 以上或 4.05V 以下。同樣，電池充電電流可設置為 15 種可能的設定值之一，但是軟件絕對不可以把限值提升至高于設計師所設定的水平 — 通過(guò)一個(gè)選擇用于使電池容量與最大充電速率相匹配的編程電阻器。

可向系統軟件提供連續的電池溫度數據，以動(dòng)態(tài)地調整系統或充電器的運行狀態(tài)，從而應對極端的操作困境。例如：可在 I2C 控制下減低浮置電壓和 / 或充電電流，以增加高環(huán)境溫度下的電池安全裕量。同樣，充電電流或總系統負載電流也可隨高溫而減小，以降低產(chǎn)品外殼內部的額外發(fā)熱。

與電池充電器可編程性的所有其他方面一樣，LTC4155 實(shí)現了一款無(wú)需任何軟件干預的本質(zhì)安全充電解決方案。當電池溫度降至 0°C 以下或升至 40°C 以上時(shí)，電池充電始終暫停。此外，當電池溫度上升至高于 60°C 時(shí)，還可以選擇產(chǎn)生一個(gè)故障中斷。圖 4 示出了 LTC4155 電池溫度數據轉換器的轉移函數，并對自主型充電器切斷溫度門(mén)限做了突出顯示。

圖 4：LTC4155 電池溫度數據轉換器的轉移函數 (突出顯示了自主型充電器切斷溫度門(mén)限)

電源通路即時(shí)接通型操作

在傳統電源架構中，大多數便攜式產(chǎn)品都是直接與電池相連的，因此失效電池會(huì )特別容易引發(fā)故障。當電池電壓過(guò)低以至于系統無(wú)法運行時(shí)，產(chǎn)品有可能表現出無(wú)響應狀態(tài)，甚至在連接至某個(gè)輸入電源達數分鐘之后仍然如此，這可能因此而導致很多查詢(xún)電話(huà)。當電池容量與可用充電電流相比非常大的時(shí)候 (例如：采用大容量電池的 USB 供電型系統)，這個(gè)問(wèn)題將進(jìn)一步復雜化。

凌力爾特的 PowerPath™ 產(chǎn)品 (比如：LTC4155) 將系統電源軌與電池分隔開(kāi)來(lái)，以實(shí)現即時(shí)接通型操作，并解決由深度放電電池所引起的兩個(gè)最令人困擾的問(wèn)題。

第一個(gè)問(wèn)題是：當系統電源軌直接連接至電池時(shí)，充電電流與系統負載變得難以區分。當電池深度放電時(shí)，在電池電壓達到某個(gè)較為安全的水平之前，電池制造商建議用戶(hù)使用一個(gè)大為減小的初始充電電流。假設最小或沒(méi)有系統負載電流，必須對于電池將該涓流充電電流設置在一個(gè)安全的水平。

其次，在直接連接型電池系統中，倘若系統在涓流充電期間可供使用，則準備用于電池的充電電流有很大部分將被分流至系統電源軌。因此而減小的電池充電電流將使恢復時(shí)間相應地延長(cháng)。一個(gè)巨大的系統負載會(huì )導致凈電池電流反向，從而使電池進(jìn)一步放電。在這種低電池電量情況下，便攜式系統有可能因為系統電源軌上的電壓不足而無(wú)法對用戶(hù)的操作做出響應。由于可提供給共接式電池和系統電源軌的功率有所降低，因此無(wú)響應的持續時(shí)間至少將增加 10 倍。

當電池深度放電時(shí)，LTC4155 可為系統電源軌提供 3.5V 電壓，以實(shí)現即時(shí)啟動(dòng)。由于電池電壓在預充電階段上升，因此 LTC4155 無(wú)縫和自動(dòng)地轉換至一種效率較高的模式，以加快充電速度并最大限度地抑制熱量的產(chǎn)生。圖 5 示出了可提供給系統電源軌的電壓與電池電壓的函數關(guān)系。

圖 5：VOUT 電壓與電池電壓的關(guān)系曲線(xiàn)

LTC4155 電池充電電流的設置獨立于輸入電流限值，旨在消除電池充電電流限制條件與輸入功率限制條件之間的相互影響。輸入電流限值可以?xún)H根據輸入電源的限制條件進(jìn)行設置。同樣，電池充電電流也可以只依據電池容量來(lái)設置。LTC4155 始終執行輸入電流限值，并在需要的情況下使“為系統負載供電”的優(yōu)先級高于“電池充電”。

面對非理想電源時(shí)的堅固性

當輸入電壓開(kāi)始下降至一個(gè)不可接受的水平時(shí)，LTC4155 將自動(dòng)減小輸入電流。在高充電電流水平下，如果采用尺寸過(guò)小的導線(xiàn)經(jīng)由輕微腐蝕的連接器連接至尺寸過(guò)小的適配器，或者任何數目的條件超出了慣常的設計范圍，就會(huì )出現上述狀況。

倘若不加干預，那么 IC 的輸入電壓將繼續下降，并最終降至欠壓閉鎖門(mén)限以下。IC 隨后將停機，允許輸入電壓恢復并重新起動(dòng)整個(gè)循環(huán)過(guò)程。LTC4155 在糟糕的情況下做到了最好。當輸入電壓降至 4.3V 時(shí)，LTC4155 可使其輸入功率按照需要的額度平穩地減低，以避免輸入電壓的進(jìn)一步下降。在該模式中，雖然輸送至系統負載和電池的電流小于編程值，但假如允許輸入電壓振蕩繼續下去，那么這個(gè)數值將會(huì )更小。此外，LTC4155 還可產(chǎn)生一個(gè) I2C 狀態(tài)報告和任選的中斷信號，以提醒系統：終端用戶(hù)可能需要采取校正或診斷措施以恢復最大充電電流能力。

結論

LTC4155 實(shí)現了高電流能力和高效率與小巧單片式 PCB 占板面積的完美組合，非常適合于采用大型鋰電池的便攜式設備，在此類(lèi)設備中，非常重視板級空間，同時(shí)希望盡量減少發(fā)熱量和充電時(shí)間�？杉嫒� USB 規范的輸入限流設定值進(jìn)一步擴展了通用性，允許利用無(wú)處不在但功率較低的電源提供充電。大量的遙測可實(shí)現基于變化的環(huán)境或應用條件之定制運行狀態(tài)，而并未犧牲自備的電池安全性。盡管面對著(zhù)諸如電池深度放電或阻性輸入電源電纜尺寸過(guò)小等常見(jiàn)問(wèn)題，但仍然能夠不間斷地向系統電源軌輸送功率。LTC4155 采用的是 28 引腳 4mm x 5mm QFN 封裝。