電池管理器支持集成、高效、可擴(kuò)展和可測試的備用電源系統(tǒng)

測試負(fù)載電池：驗(yàn)證它仍然很好，所以沒有驚喜。

可擴(kuò)展性：能夠添加更多 LTC4110 以增加總可用電池容量。

效率：同步整流、低損耗FET理想二極管和零熱測試負(fù)載電池。

冗余支持：并聯(lián)使用多個 LTC4110 以提供完整的單故障容限。

靈活的 I/O 引腳：使用可定義的 GPIO 引腳或狀態(tài)輸出引腳。

狀態(tài)保留：電池耗盡后保留備用電池故障狀態(tài)。

這只是功能的摘要。讓我們看一個示例應(yīng)用程序，看看所有這些功能是如何組合在一起的。

LTC4110 的緊密耦合架構(gòu)

圖 1 示出了 LTC4110 如何適合電池備份的服務(wù)器存儲器系統(tǒng)。LTC4110 連接至現(xiàn)有的 I2C 總線，從而利用現(xiàn)有的通信基礎(chǔ)設(shè)施。它位于主配電電源和存儲器系統(tǒng)電源之間，隨時準(zhǔn)備在輸入故障時切斷電池。它將DCIN與DCOUT隔離，因此電池支持的唯一負(fù)載是內(nèi)存?，F(xiàn)有的DC/DC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換未穩(wěn)壓的電池電壓，并繼續(xù)向存儲器提供穩(wěn)壓。

圖1.CPU/服務(wù)器系統(tǒng)中LTC4110的框圖

圖 2 示出了 LTC4110 電池備份控制器原理圖。原理圖顯示一個12.6V鋰離子電池由固定的12V電源充電。

圖2.基于 LTC4110 的電池備份系統(tǒng)。

超柔性電池充電器

300kHz電池充電器由一個高效的同步整流反激式充電器組成，輸入范圍為4.5V至19V，充電速率高達(dá)3A。2.7V至19V的寬輸出電壓范圍能夠?qū)㈦姵爻潆娭镣耆K止電壓，無論電壓小于或大于輸入電源電壓。無需將電池組電壓配置為在輸入電源限制內(nèi)工作，從而完全自由地針對應(yīng)用優(yōu)化電池。對于使用恒壓充電的電池，輸出精度為 ±0.5%，但同時可調(diào)節(jié)，允許您優(yōu)化電池以獲得更長的電池壽命或最大容量。還為密封鉛酸電池提供浮動電壓溫度補(bǔ)償。

LTC4110 包含許多電池充電保護(hù)系統(tǒng)，包括在進(jìn)入大容量充電之前對所有化學(xué)成分進(jìn)行充電預(yù)調(diào)節(jié)鑒定，以及一個用于監(jiān)視電池溫度的熱敏電阻接口。安全定時器還以各種方式用于防止電池過度充電或幫助檢測有缺陷的電池。如果電池出現(xiàn)故障，充電狀態(tài)將更新。在標(biāo)準(zhǔn)電池模式下，LTC4110 采用內(nèi)置的充電終止功能。在智能電池模式下，電池本身控制充電終止。無論模式如何，電池充電器都能夠以許多不同的電池配置為許多不同類型的電池化學(xué)物質(zhì)充電。表 1 和表 2 提供了 LTC4110 充電能力的快速概述。圖3顯示了充電模式下的功率流。

圖3.LTC4110 處于充電模式。

建立對電池的信心，同時保持冷靜

如果要對系統(tǒng)充滿信心，則必須始終了解備用電池的狀況。在主機(jī) CPU 或電源管理器的監(jiān)視下，您可以做三件事來建立這種信心：

測試加載電池：電池還能工作嗎？

驗(yàn)證電池容量：它是否仍具有支持備份的保留容量？

燃?xì)獗頎顟B(tài)：電池的充電狀態(tài) （SOC） 是什么？

起初測試加載電池似乎很簡單。只需將測試負(fù)載連接到電池并觀察其工作。理想情況下，電池在產(chǎn)品中進(jìn)行測試，無需打開盒子。必須處理的大問題是負(fù)載在測試過程中產(chǎn)生的熱量。在許多應(yīng)用中，產(chǎn)品本身已經(jīng)接近熱極限，這意味著可能無法將額外的熱量放入盒子內(nèi)。

在LTC4110術(shù)語中，測試電池負(fù)載是稱為“校準(zhǔn)”的模式的一部分。在校準(zhǔn)模式下，LTC4110 反向使用其反激式充電器，以一個可編程恒定電流將電池放電至“系統(tǒng)負(fù)載”，從而消除了熱量的產(chǎn)生。在校準(zhǔn)期間，主 AC/DC 電源僅看到系統(tǒng)負(fù)載電流的降低等于電池提供的電流。產(chǎn)品內(nèi)部沒有溫度變化。電池繼續(xù)放電，直到滿足終止放電的條件。在放電終止時，LTC4110 自動啟動一個再充電周期，以使電池恢復(fù)到就緒狀態(tài)。圖4顯示了校準(zhǔn)模式下的功率流。

圖4.LTC4110 處于校準(zhǔn)模式。

在同一校準(zhǔn)過程中可以輕松驗(yàn)證電池容量。R時的電池放電電流精度為±3%社交網(wǎng)絡(luò)（蝙蝠）在圖 2 中，主機(jī)可以啟動校準(zhǔn)過程，同時監(jiān)控充滿電池耗盡所需的時間。主機(jī)知道固定負(fù)載電流后，可以使用時間信息以合理的精度確定電池的當(dāng)前存儲容量（安培小時）。

如果希望進(jìn)行全時高精度電池SOC監(jiān)測，那么當(dāng)今制造的每臺筆記本電腦中都能找到的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)智能電池系統(tǒng)（SBS）電量計是唯一真正的解決方案。LTC4110 在充電、放電和校準(zhǔn)工作模式中完全支持此標(biāo)準(zhǔn)。

無損自動電源路徑操作

LTC4110 采用理想的二極管電路來驅(qū)動其 PowerPath?場效應(yīng)管。理想的二極管電路使用MOSFET，而通常使用二極管來控制功率流。與真正的二極管一樣，盡管MOSFET可以在兩個方向上傳導(dǎo)電流，但電流只允許沿一個方向流動。理想二極管的正向壓降（25mV）遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)肖特基二極管（350mV），理想二極管的反向漏電流也可以更小。微小的正向壓降可降低功率損耗，最大限度地減少自發(fā)熱，并在電池的情況下延長電池壽命。

在圖2中，有兩組理想二極管在電源輸入（DCIN）和電池之間形成一個電源OR，形成一個稱為備用負(fù)載（DCOUT）的輸出。在圖中，電池路徑中使用了兩個背靠背MOSFET，因?yàn)樵诖藨?yīng)用中，完全充電的電池電壓大于DCIN電壓。但是，如果電池電壓小于DCIN，則只需要一個MOSFET。

在正常情況下，輸入理想二極管始終導(dǎo)通。如果DCIN分壓器檢測到需要備用電池的情況，則電池理想二極管導(dǎo)通，輸入理想二極管留出，以確定何時自行關(guān)閉。二極管動作允許最高電源承擔(dān)備用負(fù)載。但由于DCIN正在下降，輸入理想二極管一旦檢測到反向電流就會關(guān)閉。理想二極管設(shè)計的目標(biāo)是盡可能始終嘗試進(jìn)行“先開后斷”切換，從而最大限度地減少對任何“橋接”或“保持”電容的需求。圖 5 示出了處于電池備份模式的 LTC4110。粗線表示活動電源路徑。

圖5.LTC4110 處于電池備份模式。

可擴(kuò)展容量或創(chuàng)建冗余

理想的二極管技術(shù)也是允許一個 LTC4110 與其他 LTC4110 協(xié)同工作以實(shí)現(xiàn)冗余的關(guān)鍵。多個 LTC4110 可在備份負(fù)載 （DCOUT） 點(diǎn)并聯(lián)連接。無論 SOC 或電壓如何差異，電池都不會在它們之間交換電流。

假設(shè)電池的品牌、型號和年齡相同，電池會自動充當(dāng)一個大電池，根據(jù)其相對 SOC 比率共享放電負(fù)載電流。如果所有電池都是相同的 SOC，則它們之間的電流相等。充電電流保持獨(dú)立。

一些電池化學(xué)成分，如鋰離子電池，對可以安全運(yùn)輸?shù)碾姵爻叽缬幸?guī)定。如果您的備份需求超過 95 瓦時的容量，則必須使用多個電池。只需再添加另一個 LTC4110 即可支持雙電池操作。幸運(yùn)的是，這種擴(kuò)展還通過最大限度地減少每個備份系統(tǒng)之間共享的部件數(shù)量，為系統(tǒng)提供了真正的冗余。圖 6 示出了使用兩節(jié)標(biāo)準(zhǔn)（非智能）電池的雙通道 LTC4110 系統(tǒng)。

圖6.采用標(biāo)準(zhǔn)電池的雙通道LTC4110系統(tǒng)。

靈活的 SMBus 尋址和寄存器

無論您使用的是智能電池還是標(biāo)準(zhǔn)電池，LTC4110 都支持一個 SMBus 接口，主機(jī) CPU 可使用該接口來控制和監(jiān)視每個部件。為便于使用標(biāo)準(zhǔn)電池進(jìn)行配置，LTC4110 支持多達(dá) 4110 個唯一的 SMBus 地址。但是，如果您使用智能電池，則所有 LTC4110 必須使用相同的地址，并且每個 LTC4110 和相關(guān)智能電池本地 SMBus 必須與所有其他 LTC4305 隔離。在主機(jī) CPU 的控制下，使用 SMBus 多路復(fù)用器（如 LTC4306 或 LTC4110）可以輕松實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。在可能的情況下，LTC<> 遵循智能電池系統(tǒng) （SBS） 充電器規(guī)范的寄存器定義，以便與與智能電池配合使用的軟件兼容。

完整狀態(tài)和靈活的 GPIO 線

在內(nèi)部，LTC4110 使用兩個 16 位 SMBus 讀寄存器來報告 27 個唯一狀態(tài)項(xiàng)。這包括保留并報告電池備份是否失敗的位，即使在電池低于用戶定義的放電結(jié)束截止（死）閾值之后也是如此。另一個 16 位 SMBus 寫寄存器控制充電器以及如何使用三個 GPIO 位。

每個 GPIO 位都可以編程為報告選定的內(nèi)部狀態(tài)信息，或獨(dú)立于其他位作為通用數(shù)字 I/O 工作。始終提供固定的交流當(dāng)前狀態(tài)輸出位。但是，如果產(chǎn)品中沒有 SMBus，則可以將 LTC4110 配置為啟用預(yù)設(shè)狀態(tài)信息，以在上電時驅(qū)動 GPIO 位。此信息可用于驅(qū)動狀態(tài) LED。

微功耗關(guān)斷和運(yùn)輸

LTC4110 停機(jī)引腳專為防止上電或斷電時的錯誤停機(jī)而設(shè)計。讀取引腳狀態(tài)是經(jīng)過預(yù)驗(yàn)證的，因此僅在正常情況下才接受。該認(rèn)證允許產(chǎn)品在安裝電池的情況下發(fā)貨，而不必?fù)?dān)心部件進(jìn)入備用電池模式并耗盡電池電量。停機(jī)電流僅從電池吸收 20μA 電流。這與 LTC4110 在備用電池達(dá)到其放電點(diǎn)終點(diǎn)時進(jìn)入的停機(jī)模式相同。

結(jié)論

LTC?4110 是一款靈活的獨(dú)立電池備份控制器。通過將關(guān)鍵特性集成到單個IC中，功能可以無縫協(xié)同工作，使設(shè)計人員能夠以最少的設(shè)計工作提供可靠且完整的電池備份系統(tǒng)。

審核編輯：郭婷