作者：Zachary Pantely ADI公司

設計電池充電器的第一步是從眾多可用解決方案中選擇電池充電器IC。為了做出明智的決定，設計團隊首先必須明確定義電池參數（化學(xué)組成、電池單元數量等）和輸入參數（太陽(yáng)能、USB等）。然后，團隊必須搜索符合輸入和輸出參數的充電器，比較大量的數據手冊，以確定最佳解決方案。方案選擇的過(guò)程應允許團隊為應用選擇最佳解決方案，當然一旦設計參數發(fā)生改變，則需重新回到數據手冊比較。

如果可以完全跳過(guò)此步驟會(huì )怎么樣呢? 如果設計人員能夠專(zhuān)注于應用解決方案，將電池充電器IC視為一個(gè)黑匣子，在真正需要生成一個(gè)可行的解決方案時(shí)才放入實(shí)際的IC，那該多好啊。到那時(shí)，無(wú)論基本設計參數如何，設計人員只需要從現成產(chǎn)品中選取一個(gè)通用電池充電器IC即可。即使應用參數發(fā)生變化（輸入切換、電池類(lèi)型改變等），現成的電池充電器IC仍然適用。無(wú)需重新額外搜索數據手冊。

我們通過(guò)評估兩個(gè)截然不同的電池充電器來(lái)說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題：

• 設計團隊A的任務(wù)是設計一個(gè)電池充電器，該產(chǎn)品需要太陽(yáng)能面板輸入并為鉛酸電池充電。充電器必須是獨立的（沒(méi)有微控制器），但應該具有足夠的多樣性，可以支持幾種不同的太陽(yáng)能面板型號。他們有一周的時(shí)間來(lái)完成原理圖設計。
• 設計團隊B有一個(gè)更復雜的充電器項目。他們的設計采用一個(gè)5 V USB電源，為一節鋰離子電池充電，電流為1.3 A，每節電池的端電壓為4.1 V。他們希望在47℃以上時(shí)，每節電池的充電電壓降至4 V、電流為0.5 A，并且在超過(guò)72℃時(shí)，充電停止。系統中的微控制器需要知道電池的電壓、電流、溫度和健康狀況。他們也是只有一周的時(shí)間完成原理圖設計。

事實(shí)證明，兩個(gè)設計團隊都可以使用相同的電池充電器IC，而且該器件可以說(shuō)是兩個(gè)應用的最佳選擇。

好產(chǎn)品、小尺寸

LTC4162 35 V/3.2 A單芯片降壓充電器設計簡(jiǎn)單、功能多樣。LTC4162既可以獨立工作，也可以與主控制器一起工作，可提供從基本到復雜的解決方案。功能齊全的I2C遙測系統讓用戶(hù)可以有選擇性地監控電池，并可根據電池型號實(shí)現自定義充電參數。真正的最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)算法允許充電器針對任何高阻抗源（如太陽(yáng)能面板）進(jìn)行優(yōu)化運行。充電算法根據選擇的電池化學(xué)組成量身定制：鋰離子、LiFePO4或鉛酸。

這些功能整合在一個(gè)4mm × 5mm QFN封裝中，典型解決方案的尺寸約為1cm × 2cm。

感受大功率！

千萬(wàn)不要因為小尺寸而小看它。即使只使用集成開(kāi)關(guān)FET，LTC4162也可以支持60 W以上的充電功率。LTC4162可利用芯片溫度的內部熱量自監控功能調節充電電流，因此，即使在最熱的環(huán)境或最小的外殼中也從來(lái)不會(huì )發(fā)生過(guò)熱現象。

圖1.適合什么樣的充電器？這是兩個(gè)截然不同的電池充電系統：它們可以使用同樣的充電器IC嗎？

PowerPath™ FET（INFET和BATFET）確保系統負載(VOUT)在有輸入電壓(VIN)時(shí)，始終由VIN供電；如果沒(méi)有VIN，則由電池供電。使用外部N通道FET能夠實(shí)現低損耗路徑，并且不會(huì )限制可傳遞到負載的電流量。

這里變得越來(lái)越熱

LTC4162可實(shí)現溫度調節型可定制充電器。對于鋰基化學(xué)組成（鋰離子和LiFePO4），LTC4162可采用JEITA溫控充電。JEITA規范允許用戶(hù)設置定制溫度范圍，在此溫度范圍中以自定義的電池充電電壓和電流為電池充電。這也使設計人員可以決定電池應停止充電的高溫和低溫。默認的JEITA設置適用于多種電池，無(wú)需主機處理器干預，而這一功能使LTC4162能夠滿(mǎn)足任何電池的溫度曲線(xiàn)要求。

圖2.LTC4162的應用電路非常簡(jiǎn)單，就如同一個(gè)功能齊全的開(kāi)關(guān)電池充電器。

遙測和控制

雖然LTC4162可以在沒(méi)有主控制器的情況下運行，但通過(guò)I2C端口仍然可以監控和控制充電的許多方面。片內遙測系統實(shí)時(shí)讀取系統與電池電壓和電流�？梢栽O置各種限值和警報，在測量值滿(mǎn)足某個(gè)可配置閾值或進(jìn)入特定充電狀態(tài)時(shí)通知主控制器。例如，當電池電壓降至某個(gè)下限值時(shí)，常見(jiàn)的設計功能是進(jìn)入低功耗模式。但是LTC4162不需要微控制器不斷輪詢(xún)電池電壓，而是可以進(jìn)行監控，并在達到這個(gè)限值時(shí)通知主控制器。此時(shí)，主機可以關(guān)閉主負載并進(jìn)入低功耗狀態(tài)。

圖3.LTC4162的集成遙測系統幾乎可以滿(mǎn)足任何監控和警報要求。

遙測系統還能測量電池串聯(lián)電阻(BSR)，將其作為電池健康狀況的指標�？蓪�BSR測量設置為自動(dòng)運行，并且可以配置警報，在BSR超出自定義的上限值時(shí)通知主控制器，此時(shí)，主機可以向用戶(hù)發(fā)出需要更換電池的信號。

當輸入電源不可用并且系統由電池供電時(shí)，LTC4162會(huì )自動(dòng)關(guān)閉遙測系統以延長(cháng)電池壽命。如果仍需要測量，遙測系統可以通過(guò)I2C命令強制執行，此時(shí)，它進(jìn)入速率較慢的低功耗遙測模式，每5秒測量一次。如若需要，可以隨時(shí)將遙測速率設置為高速11ms/讀取速率。

圖4.默認的鋰離子電池JEITA曲線(xiàn)。

類(lèi)似地，對于鉛酸電池而言，溫度補償算法隨著(zhù)溫度的升高會(huì )線(xiàn)性降低每個(gè)充電階段的目標電壓。這些電壓可以通過(guò)I2C命令進(jìn)行失調設置，僅需改變熱敏電阻即可修改補償斜率。

MPPT和輸入調節

為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，許多太陽(yáng)能電池板的穩壓電路將最大功率點(diǎn)電壓設定為恒定值。在現實(shí)中，VMPP隨光照漂移，并且部分遮擋的太陽(yáng)能面板可能有多個(gè)功率峰值。通過(guò)掃描與其輸入電源相連的面板的整個(gè)電壓范圍，LTC4162先進(jìn)的最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)算法可以考慮所有變量的影響，始終能設定在最大功率點(diǎn)。除了偶爾掃描太陽(yáng)能面板的范圍外，LTC4162還對輸入調節電壓進(jìn)行抖動(dòng)調整，以不斷發(fā)現VMPP的微小變化。這些功能無(wú)需自定義編程，所以無(wú)需修改充電器即可切換面板。

輸入調節的優(yōu)勢還可延伸至太陽(yáng)能面板電源以外。例如，許多USB線(xiàn)纜具有大量串聯(lián)阻抗，這導致汲取電流時(shí)充電器輸入端的電壓下降。LTC4162的欠壓限流功能可調節此電流，從而在輸入端保持最低電壓。

圖5.默認的12 V鉛酸電池溫度曲線(xiàn)。

圖6.太陽(yáng)能面板全局掃描。

USB功率傳輸

LTC4162還兼容USB供電規范，可通過(guò)USB Type C線(xiàn)纜提供高達100 W的電源。LTC4162的輸入電流限值可配置，以防止輸入適配器過(guò)載。當輸入電流達到限值時(shí)，系統負載仍然可以從輸入中提取所需功率，但電池充電電流會(huì )降低，從而不會(huì )超過(guò)輸入電流限值。對于USB PD而言，這意味著(zhù)一個(gè)LTC4162電路可通過(guò)各種電源適配器配置供電。

低功耗運輸模式

當產(chǎn)品需要長(cháng)時(shí)間運輸或存儲時(shí)，I2C命令可以將LTC4162置于低功耗狀態(tài)，從而將電池上的電流消耗降低至約3.5 µA。在此期間，可以選擇將電路配置為切斷系統負載的電源。

IC版本

為了簡(jiǎn)化設計和文檔，根據電池的化學(xué)組成、充電參數以及默認情況下是否啟用MPPT，LTC4162分為不同版本。表1列出了LTC4162的所有可選版本。

表1.18個(gè)IC版本為用戶(hù)的任何應用提供最適用的器件

IC產(chǎn)品型號		電池
默認MPPT禁用	默認MPPT啟用	化學(xué)組成	電池單元電壓
LTC4162EUFD-LAD LTC4162EUFD-L40 LTC4162EUFD-L41 LTC4162EUFD-L42	LTC4162EUFD-LADM LTC4162EUFD-L40M LTC4162EUFD-L41M LTC4162EUFD-L42M	鋰離子	I2C可調 4.0V固定 4.1V固定 4.2V固定
LTC4162EUFD-FAD LTC4162EUFD-FST LTC4162EUFD-FFS	LTC4162EUFD-FADM LTC4162EUFD-FSTM LTC4162EUFD-FFSM	LiFePO4 LiFePO4	I2C可調 3.6 V固定 3.8 V快充
LTC4162EUFD-SAD LTC4162EUFD-SST	LTC4162EUFD-SADM LTC4162EUFD-SSTM	鉛酸	I2C可調固定

每個(gè)版本都引腳兼容，可以在原型設計期間與另一個(gè)版本互換。LTC4162版本之間可以互換，采用不同化學(xué)組成的電池、充電電壓或輸入電源的產(chǎn)品均可使用相同的電路，從而簡(jiǎn)化了產(chǎn)品創(chuàng )建。

為簡(jiǎn)化文檔，LTC4162的數據手冊基于不同的化學(xué)組成分成不同版本。鋰離子、LiFePO4和鉛酸電池各自有單獨的數據手冊。

結論

過(guò)去，設計團隊成員要花一整天的時(shí)間閱讀各種電池充電器、電源監視器以及太陽(yáng)能調節器的數據手冊，過(guò)去還需要花數小時(shí)為自定義溫度調節型充電算法編寫(xiě)代碼，并手動(dòng)輪詢(xún)測量以檢測何時(shí)超出限值，他們現在可能只需考慮有一個(gè)通用電池充電器即可。LTC4162將會(huì )是最佳選擇。