如何應用開關PowerPath管理器來提高鋰離子電池充電速度

　　手持式產(chǎn)品設計師爭先恐后地在外形日趨小巧的設備之中集成盡可能多的“時尚”功能。屏幕大而明亮的彩色顯示器、Wi-Fi、WiMax、藍牙、 GPS、照相機、手機、觸摸屏、電影播放器、音樂播放器和收音機等等，只不過是當今電池供電型便攜式設備眾多常見功能當中的一小部分。在這么狹小的空間里集成如此之多的功能所面臨的一大問題是：這種“時尚”產(chǎn)品在使用過程中必須保持“低溫”狀態(tài)。在手持式設備中，最大限度地降低散逸熱是需要優(yōu)先考慮的因素，而電池充電器是一個重要的發(fā)熱源。

　　多年來，手持式設備的一個組件幾乎一成不變，那就是鋰離子電池。盡管當今電池的容量已經(jīng)從幾百毫安時 （mAh） 增加至幾安時 （Ah），以適應現(xiàn)代便攜式產(chǎn)品不斷擴充的功能組，但基本的鋰離子電池技術卻并未發(fā)生什么變化。鋰離子電池為什么能夠經(jīng)久不衰？無可比擬的能量密度 （無論是從質(zhì)量還是體積來衡量都是如此）、高電壓、低自放電、寬可用溫度范圍、無記憶效應、無電池反向、無電池平衡以及對環(huán)境的輕微影響等，所有這些使得鋰離子電池成為高性能便攜式產(chǎn)品的優(yōu)選電源。

　　然而，給如今的大型電池充電卻絕非小事一樁。為了能夠在合理的時間內(nèi)完成其充電，應當以一個與其容量相稱的速率、并采用一種特殊的算法來執(zhí)行充電操作。例如：若想在大約一個小時的時間里完成一個1Ah電池的滿充電，則需1A的充電電流。如果希望采用USB供電型充電，那么將只有500mA的可用電流，從而導致充電時間延長一倍 （達2小時）。

　　采用較高充電電流的另一個問題是會在充電過程中產(chǎn)生額外的熱損耗。由于這些設備的充電功率通常取自一個5V電源 （例如：一個USB端口或5V墻上適配器），因此，功率損耗會相當大。假設一個狀況良好的鋰離子電池于充電過程中在其3.7V的“理想電壓”條件下度過了相當長的時間，那么使用線性充電元件時的效率最高可達3.7V/5V （即74%）。當電池電壓低于3.7V時，功率損耗的情況將更加嚴重。即使在4.2V的最大浮動電壓條件下 （此時，電池度過了大約1/3的充電時間），充電效率也不可能優(yōu)于84%。

　　對于一個采用“1C”速率進行充電的1Ah電池，我們可以預計：當在充電周期的最長時段中向電池輸送3.7W功率時，損失的功率將達1.3W左右。然而，需要注意的是，當電池把能量儲存起來以備日后使用的時候，輸送至電池的能量并未引起任何顯著的溫升。這就意味著：充電過程中的主要發(fā)熱源是由充電器自身所產(chǎn)生的。牢記這一點后，在某種給定的功率級上改用開關電池充電器將具有實際意義，這可改善充電效率、減少充電器發(fā)熱量并縮短充電時間。

　　LTC4088和LTC4098都是由凌力爾特公司推出的單節(jié)鋰離子電池充電器產(chǎn)品實例，它們不僅提供了開關電池充電器的高效率，而且還采用了PowerPath技術。PowerPath控制是一種運用第三個節(jié)點 （即：中間節(jié)點） 的方法，旨在實現(xiàn)“即時接通型”操作 （當電池電壓低于系統(tǒng)切斷電壓時，能夠向系統(tǒng)供電）。只有像LTC4088和LTC4098這樣的產(chǎn)品運用一種獨特的方式將降壓型DC/DC開關穩(wěn)壓器與線性電池充電器組合起來，從而確保了至系統(tǒng)負載和電池的高效功率輸送。在深入研究這些器件之前，我們先了解一下過去的做法。

　　圖1：采用一種開關PowerPath管理器/電池充電器來縮短電池充電時間并使手持式設備在工作時保持低溫狀態(tài)

　　傳統(tǒng)方法：線性PowerPath

　　中間節(jié)點拓撲結(jié)構(gòu)并不是新東西。圖2給出了線性PowerPath拓撲結(jié)構(gòu)的一個例子。在該架構(gòu)中，一個電流限制開關從一個輸入連接器向外部負載和線性電池充電器輸送功率。線性電池充電器隨后從中間節(jié)點向電池供電。

　　圖2：具重大固有效率局限性的傳統(tǒng)線性PowerPath方框圖

　　如果負載電流遠低于輸入電流限值 （以允許把一些電流轉(zhuǎn)用于電池充電），則VOUT上的電壓將幾乎等于輸入電源電壓 （我們假設它為5V）。在這種場合中，從VIN至VOUT的路徑具有極高的效率，原因是在傳輸元件的兩端上沒有產(chǎn)生顯著的電壓降。不過，需要指出的是：VOUT （約5V） 和VBAT （比如：3.5V） 之間的電壓降意味著線性充電器的運行效率偏低。因此，送往負載的功率能夠及時有效地到達，而送往電池的功率則無法及時有效地到達。

　　現(xiàn)在我們來看另一種情形，就是負載電流超過了輸入限流設定值。此時，輸入限流控制電路開始起作用，而且中間節(jié)點 （VOUT） 上的電壓下降至剛好低于電池電壓，從而使電池成為提供額外電流的一個電源。雖然這是一種期望的工作特性 （可確保負載電流擁有高于充電電流的優(yōu)先級），但請注意：此時傳輸元件的效率不高，因為在輸入引腳 （同樣是5V） 和輸出引腳之間確實存在一個很大的電壓差 （現(xiàn)在可能約為3.5V）。

　　從這些例子我們可以看到：雖然線性PowerPath拓撲結(jié)構(gòu)能在所有條件下執(zhí)行必需的PowerPath控制功能，但是，它存在著某些固有的低效率缺陷。確切地說，當采用線性PowerPath拓撲結(jié)構(gòu)時，在不同的條件下，兩個線性傳輸元件當中的這個或那個很可能會消耗功率。在下一節(jié)中，我們將了解開關PowerPath是如何克服線性PowerPath的缺點。

　　新興方法：運用開關PowerPath來實現(xiàn)高效率

　　圖3示出了線性PowerPath的一種替代方案，即：開關PowerPath。這里，一個降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器把功率從輸入連接器輸送至中間節(jié)點 VOUT。一個線性電池充電器被連接在中間節(jié)點和電池之間，這一點和線性PowerPath是一樣的。開關PowerPath與線性PowerPath的顯著差異是：從VIN至VOUT的路徑保持了較高的效率 （這與電壓差無關），因為它是一條開關路徑，而非線性路徑。

　　圖3：開關PowerPath方框圖。與線性PowerPath相比，開關PowerPath方案的一個重要優(yōu)勢是：從VIN至VOUT的路徑保持了較高的效率 （這與VIN/VBAT之比無關）

　　那么，作為總效率的另一個重要組成部分，線性電池充電路徑的效率又如何呢？VOUT和電池之間的電壓降將使通過采用開關穩(wěn)壓器而實現(xiàn)的效率提升喪失殆盡。由于擁有一種被稱為Bat-TrackTM的功能，因此，采用LTC4088和LTC4098時的總效率保持在很高的水平上。利用Bat-Track功能，可將開關穩(wěn)壓器的輸出電壓設置成跟蹤電池電壓 + 幾百mV的壓差。由于輸出電壓絕不會明顯高于電池電壓，因此線性電池充電器所消耗的功率一直極少。電池充電器傳輸元件把大部分電壓控制任務托付給了開關穩(wěn)壓器，而只負責控制充電電流、浮動電壓和電源安全監(jiān)視 —— 這些都是它的強項。