作者：ADI公司 Steve Knoth
背景知識
許多由電池供電的設備通常需要各種各樣的充電電源、電池化學(xué)組成、電壓和電流。例如，隨著(zhù)適合所有類(lèi)型電池化學(xué)組成的新型大電池組出現，功能豐富的高端消費型、醫療、工業(yè)和汽車(chē)電池充電器電路都需要更高電壓和電流。此外，支持寬功率范圍的太陽(yáng)能電池板也用于為各種采用可充電密封鉛酸(SLA)電池和鋰電池的創(chuàng )新系統供電。例如人行道信號燈、便攜式揚聲器系統、垃圾壓實(shí)機，甚至海上浮標燈。此外，太陽(yáng)能應用中的一些鉛酸(LA)電池是深循環(huán)電池，除了深度放電之外，還能長(cháng)時(shí)間重復充電。深海浮標就是一個(gè)很好的實(shí)例，要求具備10年使用壽命。另一個(gè)示例是離網(wǎng)型（即與電力公司斷開(kāi)連接）可再生能源系統（如太陽(yáng)能或風(fēng)能發(fā)電），由于難以靠近維護，這些系統必須持久運行。
即使在非太陽(yáng)能應用領(lǐng)域，最近的市場(chǎng)趨勢也表明人們對高容量SLA電池重新燃起了興趣。從成本/功率輸出的角度來(lái)看，汽車(chē)或啟動(dòng)應用SLA電池的價(jià)格并不高，且可以在短時(shí)間內提供高脈沖電流，是汽車(chē)和其他汽車(chē)啟動(dòng)器應用的理想選擇。嵌入式汽車(chē)應用的輸入電壓高于30 V，有的甚至更高�？紤]一下具有防盜威懾作用的GPS定位系統；能夠將典型的12 V輸入降至2個(gè)串聯(lián)鋰離子電池（一般7.4 V）且需要提供高壓保護的線(xiàn)性充電器，都具有應用價(jià)值。深循環(huán)鉛酸電池是另一項深受工業(yè)應用歡迎的技術(shù)。其電池板比汽車(chē)電池更厚，設計放電量可以低至總容量的20%。通常用于需要長(cháng)時(shí)間連續供電的場(chǎng)合，如叉車(chē)和高爾夫球車(chē)。然而，與鋰離子電池一樣，鉛酸電池對過(guò)度充電很敏感，所以在充電過(guò)程中必須慎重處理。
針對眾多輸入電壓、充電電壓和充電電流組合需求，只有一小部分可采用基于電流集成電路(IC)的解決方案。其余更復雜的組合和拓撲，通常采用的集成電路和分立式組件組合，繁瑣累贅。直到2011年，ADI公司利用其頗受歡迎的雙芯片充電解決方案化解了這一市場(chǎng)難題，這種情況才得以改變。該解決方案由LTC4000電池充電控制器IC以及配套的外部補償兼容型dc-dc轉換器組成。
開(kāi)關(guān)與線(xiàn)性充電器
傳統線(xiàn)性拓撲電池充電器IC常常因其緊湊的尺寸、簡(jiǎn)單和低成本而受到重視。但是，這些線(xiàn)性充電器存在一些缺點(diǎn)，包括輸入和電池電壓范圍有限、電流消耗量相對更高、功耗過(guò)高、充電端電極算法有限，以及相對效率更低（效率 ~ [VOUT/VIN] × 100%）。另一方面，開(kāi)關(guān)模式電池充電器也因其靈活的拓撲結構，多化學(xué)充電、高充電效率（產(chǎn)生的熱量極低，支持快速充電）、寬工作電壓范圍而受歡迎。但是，開(kāi)關(guān)充電器也存在一些缺點(diǎn)，包括：成本相對較高，基于電感的設計更為復雜，可能會(huì )產(chǎn)生噪聲，解決方案尺寸較大�；谏鲜鲈�，現代鉛酸、無(wú)線(xiàn)電源、能量收集、太陽(yáng)能充電、遠程傳感器和嵌入式汽車(chē)應用通常使用高壓線(xiàn)性電池充電器供電。但是，現在有機會(huì )獲得沒(méi)有這些缺點(diǎn)的更現代化的開(kāi)關(guān)模式充電器。
簡(jiǎn)單的降壓電池充電器
設計人員設計充電解決方案時(shí)會(huì )面臨一些嚴峻挑戰，包括眾多輸入源和眾多可用電池、充電電池的高容量以及高輸入電壓。
輸入源的范圍廣泛且非常多變，但涉及電池充電系統，遇到的更復雜的問(wèn)題包括：電壓范圍為5 V至19 V甚至更高的大功率壁式適配器、24 V整流AC系統、高阻抗太陽(yáng)能電池板、汽車(chē)和重型卡車(chē)/Humvee電池。因此，能夠在這些系統中使用的電池化學(xué)組合數量隨之進(jìn)一步增加，如鋰基（鋰離子、鋰聚合物、磷酸鐵鋰(LiFePO4)）和鉛酸基，從而使設計面臨更復雜的局面。
由于IC設計的復雜性，現有的電池充電IC主要局限于采用降壓型（或降壓）或更復雜的SEPIC拓撲。在這個(gè)組合中添加太陽(yáng)能充電功能，會(huì )帶來(lái)各種其他難題。最后，現有的一些解決方案為多種電池化學(xué)組成充電，一些采用板載終止方法。但是，到目前為止，還沒(méi)有一種單一的IC充電器能夠提供解決這些問(wèn)題所需的所有性能特性。
功能多樣的新款緊湊型充電器
能夠解決上述問(wèn)題的降壓型IC充電解決方案需要具備以下大部分特性：
- 寬輸入電壓范圍
- 寬輸出電壓范圍，用于滿(mǎn)足多個(gè)電池堆疊需求
- 靈活性—能夠為多種電池化學(xué)組成充電
- 帶有板載充電終止功能算法的簡(jiǎn)單自主操作（無(wú)需微處理器）
- 高充電電流，能夠為大型高容量電池快速充電
- 太陽(yáng)能充電功能
- 采用先進(jìn)封裝以提高散熱性能和空間效率
ADI在幾年前開(kāi)發(fā)出頗受歡迎的LTC4000電池充電控制器IC（與外部補償dc-dc轉換器配合使用，構成功能強大且靈活的2芯片電池充電解決方案）之后，極大地簡(jiǎn)化了現有的非常復雜和麻煩的解決方案。為了實(shí)現PowerPath™控制、升壓/降壓功能，以及輸入電流限制，解決方案包含了一個(gè)降壓-升壓dc-dc開(kāi)關(guān)穩壓器或一個(gè)降壓開(kāi)關(guān)穩壓器充電器控制器（與一個(gè)前端增壓控制器配對）、一個(gè)微處理器，以及多個(gè)IC和分立組件。主要缺點(diǎn)包括：操作電壓范圍有限、不具備太陽(yáng)能電池板輸入功能、無(wú)法為所有電池化學(xué)組成充電，以及沒(méi)有板載充電終止功能�？焖侔l(fā)展到現在，目前已經(jīng)有一些更簡(jiǎn)單、更緊湊的單片式解決方案可用于解決這些問(wèn)題。ADI公司提供的LTC4162和LTC4015降壓電池充電器均提供單芯片降壓充電解決方案，支持多種充電電流等級和完整的功能組。
LTC4162電池充電器
LTC4162是一款高度集成、高電壓多化學(xué)組成同步單片降壓電池充電器和PowerPath管理器，具有板載遙測功能和可選的最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)特性。它能高效地傳輸各種輸入源（如壁式適配器、背板和太陽(yáng)能電池板）電力，為鋰離子/聚合物、LiFePO4或鉛酸電池組充電，同時(shí)仍然為系統負載提供高達35v的電力。該設備提供先進(jìn)的系統監控和PowerPath管理，以及電池狀況監測。雖然使用LTC4162最先進(jìn)的功能需要采用主機微控制器，仍可選擇性地使用I2C端口。該產(chǎn)品的主要充電功能可以使用引腳綁定配置和編程電阻進(jìn)行調整。該設備提供±5%的充電電流調節（高達3.2 A）、±0.75%的充電電壓調節，支持4.5 V至35 V的輸入電壓范圍。適用于便攜式醫療器械、USB電源傳輸(USB-C)設備、軍事設備、工業(yè)手持設備和加固筆記本/平板電腦等。
圖1.LTC4162-L的典型應用電路。
LTC4162（見(jiàn)圖1）包含一個(gè)精確的16位模數轉換器(ADC)，可以按照需求連續監控許多系統參數，包括輸入電壓、輸入電流、電池電壓、電池電流、輸出電壓、電池溫度、模具溫度和電池串聯(lián)電阻(BSR)。所有系統參數都可以通過(guò)一個(gè)雙線(xiàn)I2C接口來(lái)監控，而可編程和可屏蔽的警報可以確保只有感興趣的信息才會(huì )導致中斷。該設備的主動(dòng)最大功率點(diǎn)跟蹤算法在全局范圍內掃描輸入低壓控制回路，并選擇一個(gè)工作點(diǎn)，以最大限度地從太陽(yáng)能電池板和其他電阻源提取電力。此外，其內置的PowerPath拓撲去耦電池中的輸出電壓，使便攜式產(chǎn)品能夠在極低電池電壓條件下使用充電電源時(shí)即時(shí)啟動(dòng)。LTC4162的板載充電配置針對鋰離子/聚合物、LiFePO4和鉛酸等多種電池化學(xué)組成實(shí)施了優(yōu)化。充電電壓和充電電流都可以根據電池溫度自動(dòng)調整，以符合JEITA指南的要求，或者可以自定義。對于鉛酸電池，連續溫度曲線(xiàn)會(huì )根據環(huán)境溫度自動(dòng)調整電池電壓。對于所有化學(xué)組成，可以采用可選的模具連接溫度調節系統，防止在受限空間或存在熱問(wèn)題的應用中出現過(guò)熱。鋰離子充電能效性能參見(jiàn)圖2。
最后，LTC4162采用28引腳4 mm × 5 mm QFN封裝，配備裸露金屬焊盤(pán)，散熱性能出色。E級和I級設備能夠在–40°C至+125°C范圍內工作。
圖2.采用不同數量電池時(shí)，鋰離子充電效率與輸入電壓的關(guān)系。
圖3.12 VIN、8 A雙鋰離子電池降壓型電池充電器電路。
需要更高電流時(shí)怎么辦？
LTC4015也是一款高度集成的高電壓、多化學(xué)組成、同步降壓型電池充電器，提供板載遙測功能。但是，它采用了控制器架構與離線(xiàn)功率FET，可以實(shí)現更高的充電電流能力（高達20 A或更高，具體取決于所選的外部組件）。該設備能通過(guò)輸入源（壁式適配器、太陽(yáng)能電池板等）向鋰離子/聚合物、LiFePO4或鉛酸電池高效供電。它提供先進(jìn)的系統監測和管理功能，包括電池庫侖計數和狀況監測。雖然使用LTC4015最先進(jìn)的功能需要采用主機微控制器，仍可選擇性地使用I2C端口。該產(chǎn)品的主要充電功能可以使用引腳綁定配置和編程電阻進(jìn)行調整。
LTC4015提供±2%的充電電流調節（高達20 A）、±1.25%的充電電壓調節，支持4.5 V至35 V的輸入電壓范圍。適用于便攜式醫療儀器、軍事設備、電池備份應用、工業(yè)手持設備、工業(yè)照明、加固式筆記本/平板電腦、遠程動(dòng)力通信和遙測系統。
LTC4015還包含一個(gè)精確的14位模數轉換器(ADC)，以及一個(gè)高精度庫侖計數器。ADC連續監測系統的許多參數，包括輸入電壓、輸入電流、電池電壓、電池電流，并根據命令報告電池溫度和電池串聯(lián)電阻(BSR)。通過(guò)監測這些參數，LTC4015可以報告電池的工作狀態(tài)和充電狀態(tài)。所有的系統參數都可以通過(guò)一個(gè)雙線(xiàn)I2C接口來(lái)監控，而可編程和可屏蔽的警報可以確保只有感興趣的信息才會(huì )導致中斷。LTC4015的板載充電配置針對鋰離子/聚合物、LiFePO4和鉛酸等多種電池化學(xué)組成進(jìn)行了優(yōu)化。通過(guò)配置引腳，用戶(hù)可以在幾種為電池化學(xué)組成預先定義的充電算法，以及幾種可以通過(guò)I2C調整參數的算法之間進(jìn)行選擇。充電電壓和充電電流都可以根據電池溫度自動(dòng)調整，以符合JEITA指南，或者自定義設置的要求。鉛酸充電能效性能參見(jiàn)圖4。LTC4015采用5 mm × 7 mm QFN封裝，配備裸露金屬焊盤(pán)，散熱性能出色。
圖4.LTC4015的鉛酸充電效率。
節省空間、靈活、具備更高的功率級別
由于LTC4162是一個(gè)帶有集成功率MOSFET的單片器件，在同等功率等級下（例如，3 A），它比LTC4015節省多達50%的PCB面積。由于它們的功能相似，當輸出電流范圍為>3.2 A到20 A，或高于此范圍時(shí)，應該使用LTC4015。業(yè)內同類(lèi)IC電池充電器解決方案都不能提供同等集成水平，也不能產(chǎn)生相同的功率水平。這些接近充電電流（2 A到3 A）的電池解決方案只適用于單一電池化學(xué)組成（鋰離子），或者電池充電電壓受到限制（最大13 V），因此不能提供與LTC4162或LTC4015同等的功率水平或靈活性。此外，當您考慮實(shí)現最近的競爭單片式電池充電器解決方案需要用到的外部組件數量時(shí)，LTC4162能夠節省多達40%的PCB空間，因此更具吸引力。
大陽(yáng)能充電
在最大功率點(diǎn)(MPP)操作太陽(yáng)能電池板有許多方法。最簡(jiǎn)單的方法之一是通過(guò)二極管將電池連接到太陽(yáng)能電池板上。這種技術(shù)依賴(lài)于將電池板的最大輸出電壓與電池相對狹窄的電壓范圍匹配。當可用功率非常低（大約低于幾十毫瓦）時(shí)，這可能是最好的方法。然而，功率水平不可能一直很低。因此，LTC4162和LTC4015采用了MPPT技術(shù)，這種技術(shù)可以根據入射光的變化來(lái)確定太陽(yáng)能電池板的最大功率電壓(MPV)。當電路板電流在20年或更長(cháng)的動(dòng)態(tài)時(shí)間范圍內發(fā)生變化時(shí)，這個(gè)電壓可以從12 V急劇變化到18 V。MPPT電路算法查找并跟蹤面板電壓值，為電池提供最大的充電電流。MPPT功能不僅可以連續跟蹤最大功率點(diǎn)，還可以在功率曲線(xiàn)上選擇正確的最大功率點(diǎn)，從而在功率曲線(xiàn)上出現多個(gè)峰值時(shí)，在部分遮陽(yáng)條件下增加電路板獲得的功率。在弱光狀態(tài)下，即使沒(méi)有足夠的光線(xiàn)讓MPPT正常工作，低功率模式也能讓充電器提供小充電電流。
結論
ADI公司功能齊全而強大的全新電池充電和PowerPath管理器集成電路LTC4162和LTC4015，簡(jiǎn)化了繁復的高壓和高電流充電系統。這些設備能夠高效管理輸入源（如壁式適配器、背板、太陽(yáng)能電池板等）和各種電池化學(xué)組成（包括鋰離子/聚合物、LiFePO4和SLA）之間的電源分配。其簡(jiǎn)單的解決方案和緊湊的外形使它們能夠在前沿應用中實(shí)現高性能，而過(guò)去只有基于更復雜、更古老的開(kāi)關(guān)調節器的拓撲（如SEPIC）才是唯一的選擇。設計中高功率電池充電器電路時(shí)，可以極大簡(jiǎn)化設計師的工作。
