使用開關(guān)電源路徑管理器加快鋰離子電池充電速度并減少熱量

手持產(chǎn)品設(shè)計(jì)師競(jìng)相 打包盡可能多的“酷”功能 可以進(jìn)入更小的設(shè)備。大 明亮的彩色顯示屏，無線網(wǎng)絡(luò)，無線網(wǎng)絡(luò)， 藍(lán)牙、GPS、相機(jī)、手機(jī)、 觸摸屏、電影播放器、音樂 播放器和收音機(jī)只是其中的一小部分 當(dāng)今電池的常見功能 有源的便攜式設(shè)備。一 打包這么多的大問題 功能進(jìn)入如此小的空間是 “酷”產(chǎn)品實(shí)際上必須 使用時(shí)保持涼爽。最大限度減少耗散 熱量是手持設(shè)備的首要任務(wù)， 一個(gè)重要的熱源是 充電器。

手持設(shè)備的一個(gè)組件具有 這些年來變化不大—— 鋰離子電池。雖然容量 的今天電池增加了 幾百毫安小時(shí)起 到幾安培小時(shí)以適應(yīng) 不斷擴(kuò)展的功能 一套現(xiàn)代便攜式產(chǎn)品， 基本的鋰離子電池技術(shù)具有 保持不變。為什么鋰離子 活了這么久？無與倫比的能量 密度（質(zhì)量和體積）， 高電壓、低自放電、寬 可用溫度范圍，無內(nèi)存 效果，無細(xì)胞逆轉(zhuǎn)，無細(xì)胞平衡， 和低環(huán)境影響 使鋰離子電池成為高性能便攜式電池的首選 產(chǎn)品。

為今天的大電池充電， 然而，這不是一件小事。為了 以合理的金額收費(fèi) 時(shí)間，他們應(yīng)該在 與其容量相稱的價(jià)格 并具有特定的算法。例如 為 1Ah 電池充滿電 大約一個(gè)小時(shí)需要一個(gè) 充電電流的安培。如果 USB 供電 需要充電，然后只有500mA 可用的電流，使 充電時(shí)間為兩小時(shí)。

高電荷的另一個(gè)問題 電流是充電過程中損失的額外熱量。自充電以來 這些設(shè)備的電源通常來自 從 5V 電源，例如 USB 端口 或5V墻上適配器，功率損耗可 重要。假設(shè)健康的鋰離子電池 電池花費(fèi)大量時(shí)間 在3.7V的“快樂電壓”下 充電，然后通過以下方式提高充電效率 線性充電元件充其量只能 為 3.7V/5V 或 74%。當(dāng)電池 電壓小于3.7V，損耗 更糟糕的是。即使在最大 浮動(dòng)電壓為4.2V，其中電池 花費(fèi)約1/3的費(fèi)用 時(shí)間，充電效率再好不過了 超過84%。

使用 1Ah 電池充電 “1C”速率，我們可以預(yù)期約1.3W 提供 3.7W 時(shí)會(huì)損失功率 到電池最長(zhǎng)的部分 充電周期。但請(qǐng)注意， 輸送到電池的能量 不會(huì)導(dǎo)致任何明顯的溫度 隨著電池的存儲(chǔ)而上升 未來使用的能量。這意味著 主要的熱源 在充電過程中由 充電器本身?？紤]到這一點(diǎn)，在 給定的功率水平是有意義的 移至開關(guān)電池充電器 為了提高充電效率，更少 充電器產(chǎn)生的熱量和減少 充電時(shí)間。

LTC4088 和 LTC4098 都是凌力爾特的單節(jié)鋰離子電池充電器示例 不僅提供高效率 開關(guān)電池充電器，但 還包括 PowerPath 技術(shù)。 PowerPath 控制是一種技術(shù) 使用第三種或中間的 節(jié)點(diǎn)允許即時(shí)啟動(dòng)操作， 為系統(tǒng)供電 當(dāng)電池電壓低于 系統(tǒng)截止。只有像這樣的產(chǎn)品 LTC4088 和 LTC4098 結(jié)合一個(gè)階躍 下行直流/直流開關(guān)穩(wěn)壓器 獨(dú)特的線性電池充電器 確保高效電源的方式 交付到系統(tǒng)負(fù)載和 電池。在我們深入研究這些之前 零件，讓我們來看看它是怎么回事 以前做過。

圖1.通過使用切換 PowerPath 管理器/電池充電器，縮短電池充電時(shí)間并保持手持設(shè)備冷卻。

老派：線性電源路徑

中間節(jié)點(diǎn)拓?fù)洳皇?新增功能。圖 2 顯示了一個(gè)示例 線性 PowerPath 拓?fù)洹Ｔ诖?架構(gòu)，限流開關(guān) 從輸入連接器供電 外部負(fù)載和線性負(fù)載 充電器。線性電池 然后充電器從 電池的中間節(jié)點(diǎn)。

圖2.傳統(tǒng)線性 PowerPath 的框圖，它具有明顯的固有效率限制。

如果負(fù)載電流足夠遠(yuǎn) 低于輸入電流限值允許 一些電流被引導(dǎo)到電池 充電，電壓在V外幾乎 等于輸入電源電壓，讓我們 比如說5V。在本例中，來自 V 的路徑在到 V外非常高效，因?yàn)槟抢?無顯著壓降 傳遞元素。但請(qǐng)注意， V之間的壓降外（~5V） 和 V.BAT（比如說3.5V）表示線性 充電器運(yùn)行效率低下。因此 輸送到負(fù)載的電力高效到達(dá) 而電力輸送到 電池到達(dá)效率低下。

現(xiàn)在采取另一種情況，其中 負(fù)載電流超過輸入 電流限制設(shè)置。這里的輸入 電流限制控制接合和 中間節(jié)點(diǎn)的電壓，V外, 降至略低于電池電壓， 從而將電池作為 附加電流的來源。雖然 這是期望的行為，確保 負(fù)載電流優(yōu)先于充電 當(dāng)前，請(qǐng)注意現(xiàn)在效率低下 在傳遞元素中，因?yàn)?確實(shí)存在較大的電壓差 在輸入引腳之間，同樣在 5V 時(shí)， 和輸出引腳，現(xiàn)在可以 約為3.5V。

從這些例子中我們可以看到 而線性 PowerPath 拓?fù)?執(zhí)行必要的 PowerPath 所有條件下的控制功能， 它有一些固有的低效率。 具體而言，使用線性 PowerPath 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能有電源 浪費(fèi)在兩者中的一個(gè)或另一個(gè) 各種線性刀路元件下的各種 條件。在下一節(jié)中，我們將看到 交換 PowerPath 如何避免 線性 PowerPath 的缺陷。

新學(xué)校：高效率 帶開關(guān)電源路徑

圖 3 顯示了 線性 PowerPath，一種開關(guān) PowerPath。這里是一個(gè)降壓直流/直流 轉(zhuǎn)換器提供來自 中間的輸入連接器 節(jié)點(diǎn) V外.線性電池充電器是 從中間節(jié)點(diǎn)連接 到電池，如在 線性電源路徑。最大的不同 從線性 PowerPath 是路徑 從 V在到 V外保持相對(duì) 無論電壓如何，效率都很高 區(qū)別，因?yàn)樗情_關(guān)， 而不是線性路徑。

圖3.開關(guān)電源路徑框圖。與線性 PowerPath 相比，開關(guān) PowerPath 方案的最大優(yōu)勢(shì)在于，從 V 開始的路徑在到 V外無論 V 如何，都能保持相對(duì)較高的效率在/V.BAT率。

那么線性電池呢？ 充電路徑，總效率圖景的另一大部分？電壓 V 之間的下降外和電池 幾乎會(huì)抹去效率 開關(guān)穩(wěn)壓器的增益。 總效率仍然很高 LTC4088 和 LTC4098 因?yàn)?稱為蝙蝠軌道的功能?.跟 蝙蝠軌道，輸出電壓 開關(guān)穩(wěn)壓器編程為 跟蹤電池電壓加上一些 百毫伏差異。因?yàn)?輸出電壓從不顯著 高于電池電壓，很少 線性電池的功率永遠(yuǎn)丟失 充電器。電池充電器調(diào)整元件 留下大部分電壓控制 對(duì)開關(guān)穩(wěn)壓器的職責(zé)和 存在只是為了控制充電電流， 浮動(dòng)電壓和電池安全監(jiān)控 — 任務(wù) 它擅長(zhǎng)的地方。

基于USB的 恒功率充電

如今，一個(gè)重要的功能 在許多便攜式產(chǎn)品中是 通過 USB 充電的便利性 港口。LTC4088 和 LTC4098 擁有獨(dú)特的控制系統(tǒng) 允許他們限制輸入電流 符合 USB 標(biāo)準(zhǔn)的功耗 應(yīng)用，同時(shí)最大限度地提高功率 可用于負(fù)載和電池 充電。這兩個(gè)設(shè)備不僅 具有低功耗和高功率 USB 設(shè)置 100mA 和 500mA，但它們也支持更高功率的 1A 設(shè)置 墻上適配器應(yīng)用。

對(duì)于大電池產(chǎn)品， USB 電流控制可能是限制 確定多少的因素 電力輸送到電池 充電。使用線性電源路徑 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，輸入和輸出均為電流 有限 - 負(fù)載電流之和 和電池充電電流 不能超過輸入電流。在 在這種情況下，一個(gè)開關(guān) PowerPath 具有 與線性相比具有顯著優(yōu)勢(shì) PowerPath.在交換電源路徑中 拓?fù)?輸入仍然是最新的 有限，但這僅限制負(fù)載和充電器的可用功率。這 是一個(gè)重要的區(qū)別。圖4 示出了 LTC4088 如何 可通過線性 PowerPath 將充電電流增加多達(dá) 40% 設(shè)計(jì)。

圖4.輸入功率限制充電電流。

請(qǐng)注意，當(dāng) USB 電流 限制為500mA，有可能 充電電流將高于500mA 到高效率的開關(guān) PowerPath 系統(tǒng)。因此，不僅 效率更高，產(chǎn)生熱量少， 但它也減少了充電時(shí)間。

輸入電流限制拓?fù)?的 LTC4088 和 LTC4098 提供 與使用的設(shè)備相比具有很大的優(yōu)勢(shì) 輸出電流控制拓?fù)?以保持 USB 合規(guī)性。這是 因?yàn)殡S著電池電壓的升高 在整個(gè)充電周期中，有效 電池消耗的電量 也上升，假設(shè)恒定電流。 為了保持 USB 合規(guī)性 在輸出電流控制系統(tǒng)中 （假設(shè)效率完美）一 必須限制電池電量 電流到其功率限制值 最高的電池電壓。

例如，保持在 2.5W 以下 +5在? 500mA）的功率輸出 4.2V電池電壓，充電電流 不得超過595mA。這 電流限制過于保守 當(dāng)電池電壓低時(shí)，說 3.4V，可以 提供 735mA 而不會(huì)違反 USB 規(guī)格。輸入電流限制 專為 USB 標(biāo)準(zhǔn)（例如 LTC4088 和 LTC4098）允許充電器使用 此附加可用電流。在 相反，輸出電流調(diào)節(jié) 專為 USB 設(shè)計(jì)的開關(guān)充電器 合規(guī)性必須編程為 將電池充電電流限制為 高壓外殼 （595mA），因此會(huì)妨礙 它在低電池電壓下。說 另一種方式，限制輸入電流 開關(guān)充電器始終提取為 來自輸入源的大量功率為 是允許的，而輸出電流 控制一個(gè)沒有。

即時(shí)啟動(dòng) （低電量系統(tǒng)啟動(dòng)）

圖 5 顯示了瞬開即用功能 的交換電源路徑拓?fù)洹?當(dāng)電池電壓非常低時(shí) 并且系統(tǒng)負(fù)載不超過 可用的編程功率， 輸出電壓保持在 約3.6V。這可以防止 系統(tǒng)不必等待 電池電壓在出現(xiàn)之前 打開設(shè)備 - 令人沮喪 方案到最終用戶。

圖5.V外與蝙蝠。

這是擁有的主要原因 解耦輸出節(jié)點(diǎn)和電池 節(jié)點(diǎn)（即 3 端子拓?fù)洌?此功能可用于供電 系統(tǒng)處于低功耗模式。為 例如，它可能只是足夠的功率 啟動(dòng)并向用戶指示 系統(tǒng)正在充電。

自動(dòng)負(fù)載優(yōu)先級(jí)

輸送到系統(tǒng)的電流 在 V外，以及電池電量 電流，在 開關(guān)穩(wěn)壓器。如果這結(jié)合起來 負(fù)載不超過功率水平 由輸入電流限制編程 電路然后開關(guān)電源路徑 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)愉快地提供電荷和 負(fù)載電流無需擔(dān)心。如果 但是，總負(fù)載超過 可用電源，電池充電器 自動(dòng)放棄部分或全部 其支持的力量份額 額外負(fù)載。也就是說，系統(tǒng)負(fù)載為 始終優(yōu)先考慮和電池充電 只是機(jī)會(huì)主義地執(zhí)行。 此算法提供不間斷 系統(tǒng)負(fù)載的電源。即使 僅系統(tǒng)負(fù)載就超過了功率 可從輸入限制電路獲得，輸入電流不超過 其編程限制。而是 電池充電器完全關(guān)閉 額外的功率來自 電池通過理想二極管。

當(dāng)理想二極管接合時(shí)， 從電池到 輸出引腳約為180mΩ。 如果這對(duì)于應(yīng)用程序來說足夠， 則無需外部組件 是需要的。如果電導(dǎo)率更高 但是，需要外部 MOSFET可用于補(bǔ)充 內(nèi)部理想二極管。The LTC4088 和 LTC4098 都具有一個(gè)控制引腳 用于驅(qū)動(dòng)選裝的閘門 外部晶體管。晶體管 30mΩ或更低的電阻 用于補(bǔ)充內(nèi)在理想 二極管。

全功能電池充電器

LTC4088 和 LTC4098 兩者 包括一個(gè)功能齊全的電池充電器。 電池充電器功能 可編程充電電流，電池 通過壞細(xì)胞檢測(cè)進(jìn)行預(yù)處理 和端接， CC-CV 充電， C/10 充電結(jié)束檢測(cè)，安全 定時(shí)器終止，自動(dòng)充電 和熱敏電阻信號(hào)調(diào)理器 符合溫度要求的充電。

LTC4098 增強(qiáng)功能

LTC4098 具有一些特性： LTC4088 則不然。首先，它支持 控制外部的能力 高壓開關(guān)穩(wěn)壓器 從第二個(gè)輸入電源接收電源 這樣的汽車電池。它還 包括一個(gè)獨(dú)立的過壓 保護(hù)模塊可與外部 MOSFET 結(jié)合使用， 提供重要的輸入保護(hù) 低電壓 （USB/墻壁） 輸入。

高壓輸入控制器

LTC4098 的外部輸入控制 電路識(shí)別第二個(gè)輸入時(shí) 供應(yīng)存在并優(yōu)先考慮 輸入，如果它和 USB/墻面輸入已通電 同時(shí)。此外， LTC4098 與一個(gè)編號(hào)的接口 凌力爾特高壓 降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器 允許更高的電壓輸入，例如 作為汽車電池。使用 描述的蝙蝠跟蹤技術(shù)相同 以上為輔助輸入控制器 控制高壓穩(wěn)壓器 在 V 處產(chǎn)生電壓外那 軌道就在電池上方。再 這種技術(shù)導(dǎo)致高充電 即使從 相當(dāng)高的電壓。

過壓保護(hù)

LTC4098 包括一個(gè)過壓 可使用的保護(hù)控制器 保護(hù)低壓 USB/墻壁 來自無意應(yīng)用程序的輸入 高壓或故障 墻上適配器。該電路控制 外部高壓的柵極 N 型場(chǎng)效應(yīng)管。通過使用外部 用于高壓隔離的晶體管， 保護(hù)級(jí)別不限于 LTC4098 的工藝參數(shù)。 而是外部的規(guī)格 晶體管確定電平 提供保護(hù)。

結(jié)論

LTC4088 和 LTC4098 代表 電源管理的新范例 和電池充電。兩者都優(yōu)化 通過結(jié)合恒定數(shù)提供動(dòng)力 輸入功率限制與高 效率開關(guān)穩(wěn)壓器和 蝙蝠軌道電池充電。其他 優(yōu)點(diǎn)包括即時(shí)啟動(dòng)系統(tǒng) 啟動(dòng)，自動(dòng)負(fù)載優(yōu)先級(jí) 以及無與倫比的充電效率。 LTC4098 更進(jìn)一步 帶輔助輸入控制器，用于 更高的輸入電壓（如汽車 電池）和過壓保護(hù) 控制器。

審核編輯：郭婷