如何應(yīng)用開(kāi)關(guān)PowerPath管理器來(lái)提高鋰離子電池充電速度

　　手持式產(chǎn)品設(shè)計(jì)師爭(zhēng)先恐后地在外形日趨小巧的設(shè)備之中集成盡可能多的“時(shí)尚”功能。屏幕大而明亮的彩色顯示器、Wi-Fi、WiMax、藍(lán)牙、 GPS、照相機(jī)、手機(jī)、觸摸屏、電影播放器、音樂(lè)播放器和收音機(jī)等等，只不過(guò)是當(dāng)今電池供電型便攜式設(shè)備眾多常見(jiàn)功能當(dāng)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(wèn)題是：這種“時(shí)尚”產(chǎn)品在使用過(guò)程中必須保持“低溫”狀態(tài)。在手持式設(shè)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(gè)重要的發(fā)熱源。

　　多年來(lái)，手持式設(shè)備的一個(gè)組件幾乎一成不變，那就是鋰離子電池。盡管當(dāng)今電池的容量已經(jīng)從幾百毫安時(shí) （mAh） 增加至幾安時(shí) （Ah），以適應(yīng)現(xiàn)代便攜式產(chǎn)品不斷擴(kuò)充的功能組，但基本的鋰離子電池技術(shù)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(wú)可比擬的能量密度 （無(wú)論是從質(zhì)量還是體積來(lái)衡量都是如此）、高電壓、低自放電、寬可用溫度范圍、無(wú)記憶效應(yīng)、無(wú)電池反向、無(wú)電池平衡以及對(duì)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(shí)間內(nèi)完成其充電，應(yīng)當(dāng)以一個(gè)與其容量相稱(chēng)的速率、并采用一種特殊的算法來(lái)執(zhí)行充電操作。例如：若想在大約一個(gè)小時(shí)的時(shí)間里完成一個(gè)1Ah電池的滿(mǎn)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(dǎo)致充電時(shí)間延長(zhǎng)一倍 （達(dá)2小時(shí)）。

　　采用較高充電電流的另一個(gè)問(wèn)題是會(huì)在充電過(guò)程中產(chǎn)生額外的熱損耗。由于這些設(shè)備的充電功率通常取自一個(gè)5V電源 （例如：一個(gè)USB端口或5V墻上適配器），因此，功率損耗會(huì)相當(dāng)大。假設(shè)一個(gè)狀況良好的鋰離子電池于充電過(guò)程中在其3.7V的“理想電壓”條件下度過(guò)了相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，那么使用線(xiàn)性充電元件時(shí)的效率最高可達(dá)3.7V/5V （即74%）。當(dāng)電池電壓低于3.7V時(shí)，功率損耗的情況將更加嚴(yán)重。即使在4.2V的最大浮動(dòng)電壓條件下 （此時(shí)，電池度過(guò)了大約1/3的充電時(shí)間），充電效率也不可能優(yōu)于84%。

　　對(duì)于一個(gè)采用“1C”速率進(jìn)行充電的1Ah電池，我們可以預(yù)計(jì)：當(dāng)在充電周期的最長(zhǎng)時(shí)段中向電池輸送3.7W功率時(shí)，損失的功率將達(dá)1.3W左右。然而，需要注意的是，當(dāng)電池把能量?jī)?chǔ)存起來(lái)以備日后使用的時(shí)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(guò)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(diǎn)后，在某種給定的功率級(jí)上改用開(kāi)關(guān)電池充電器將具有實(shí)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(shí)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(shí)例，它們不僅提供了開(kāi)關(guān)電池充電器的高效率，而且還采用了PowerPath技術(shù)。PowerPath控制是一種運(yùn)用第三個(gè)節(jié)點(diǎn) （即：中間節(jié)點(diǎn)） 的方法，旨在實(shí)現(xiàn)“即時(shí)接通型”操作 （當(dāng)電池電壓低于系統(tǒng)切斷電壓時(shí)，能夠向系統(tǒng)供電）。只有像LTC4088和LTC4098這樣的產(chǎn)品運(yùn)用一種獨(dú)特的方式將降壓型DC/DC開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器與線(xiàn)性電池充電器組合起來(lái)，從而確保了至系統(tǒng)負(fù)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(guò)去的做法。

　　圖1：采用一種開(kāi)關(guān)PowerPath管理器/電池充電器來(lái)縮短電池充電時(shí)間并使手持式設(shè)備在工作時(shí)保持低溫狀態(tài)

　　傳統(tǒng)方法：線(xiàn)性PowerPath

　　中間節(jié)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并不是新東西。圖2給出了線(xiàn)性PowerPath拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一個(gè)例子。在該架構(gòu)中，一個(gè)電流限制開(kāi)關(guān)從一個(gè)輸入連接器向外部負(fù)載和線(xiàn)性電池充電器輸送功率。線(xiàn)性電池充電器隨后從中間節(jié)點(diǎn)向電池供電。

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

　　如果負(fù)載電流遠(yuǎn)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(shè)它為5V）。在這種場(chǎng)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(méi)有產(chǎn)生顯著的電壓降。不過(guò)，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(xiàn)性充電器的運(yùn)行效率偏低。因此，送往負(fù)載的功率能夠及時(shí)有效地到達(dá)，而送往電池的功率則無(wú)法及時(shí)有效地到達(dá)。

　　現(xiàn)在我們來(lái)看另一種情形，就是負(fù)載電流超過(guò)了輸入限流設(shè)定值。此時(shí)，輸入限流控制電路開(kāi)始起作用，而且中間節(jié)點(diǎn) （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(gè)電源。雖然這是一種期望的工作特性 （可確保負(fù)載電流擁有高于充電電流的優(yōu)先級(jí)），但請(qǐng)注意：此時(shí)傳輸元件的效率不高，因?yàn)樵谳斎胍_ （同樣是5V） 和輸出引腳之間確實(shí)存在一個(gè)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(xiàn)性PowerPath拓?fù)浣Y(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(shuō)，當(dāng)采用線(xiàn)性PowerPath拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，在不同的條件下，兩個(gè)線(xiàn)性傳輸元件當(dāng)中的這個(gè)或那個(gè)很可能會(huì)消耗功率。在下一節(jié)中，我們將了解開(kāi)關(guān)PowerPath是如何克服線(xiàn)性PowerPath的缺點(diǎn)。

　　新興方法：運(yùn)用開(kāi)關(guān)PowerPath來(lái)實(shí)現(xiàn)高效率

　　圖3示出了線(xiàn)性PowerPath的一種替代方案，即：開(kāi)關(guān)PowerPath。這里，一個(gè)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(diǎn) VOUT。一個(gè)線(xiàn)性電池充電器被連接在中間節(jié)點(diǎn)和電池之間，這一點(diǎn)和線(xiàn)性PowerPath是一樣的。開(kāi)關(guān)PowerPath與線(xiàn)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(wú)關(guān)），因?yàn)樗且粭l開(kāi)關(guān)路徑，而非線(xiàn)性路徑。

　　圖3：開(kāi)關(guān)PowerPath方框圖。與線(xiàn)性PowerPath相比，開(kāi)關(guān)PowerPath方案的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)是：從VIN至VOUT的路徑保持了較高的效率 （這與VIN/VBAT之比無(wú)關(guān)）

　　那么，作為總效率的另一個(gè)重要組成部分，線(xiàn)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(guò)采用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器而實(shí)現(xiàn)的效率提升喪失殆盡。由于擁有一種被稱(chēng)為Bat-TrackTM的功能，因此，采用LTC4088和LTC4098時(shí)的總效率保持在很高的水平上。利用Bat-Track功能，可將開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的輸出電壓設(shè)置成跟蹤電池電壓 + 幾百mV的壓差。由于輸出電壓絕不會(huì)明顯高于電池電壓，因此線(xiàn)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(wù)托付給了開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，而只負(fù)責(zé)控制充電電流、浮動(dòng)電壓和電源安全監(jiān)視 —— 這些都是它的強(qiáng)項(xiàng)。