如何應(yīng)用開關(guān)PowerPath管理器來提高鋰離子電池充電速度 - 全文

　　手持式產(chǎn)品設(shè)計師爭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、音樂播放器和收音機(jī)等等，只不過是當(dāng)今電池供電型便攜式設(shè)備眾多常見功能當(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(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重要的發(fā)熱源。

　　多年來，手持式設(shè)備的一個組件幾乎一成不變，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 （mAh） 增加至幾安時 （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(yīng)、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(yīng)當(dāng)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(dǎo)致充電時間延長一倍 （達(dá)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(shè)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(dāng)大。假設(shè)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(dāng)長的時間，那么使用線性充電元件時的效率最高可達(dá)3.7V/5V （即74%）。當(dāng)電池電壓低于3.7V時，功率損耗的情況將更加嚴(yán)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(jìn)行充電的1Ah電池，我們可以預(yù)計：當(dāng)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(dá)1.3W左右。然而，需要注意的是，當(dāng)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(diǎn)后，在某種給定的功率級上改用開關(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)用第三個節(jié)點(diǎn) （即：中間節(jié)點(diǎn)） 的方法，旨在實(shí)現(xiàn)“即時接通型”操作 （當(dāng)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(yùn)用一種獨(dú)特的方式將降壓型DC/DC開關(guān)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(fù)載和電池的高效功率輸送。在深入研究這些器件之前，我們先了解一下過去的做法。

　　圖1：采用一種開關(guān)PowerPath管理器/電池充電器來縮短電池充電時間并使手持式設(shè)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(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并不是新東西。圖2給出了線性PowerPath拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一個例子。在該架構(gòu)中，一個電流限制開關(guān)從一個輸入連接器向外部負(fù)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(diǎn)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(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(yùn)行效率偏低。因此，送往負(fù)載的功率能夠及時有效地到達(dá)，而送往電池的功率則無法及時有效地到達(dá)。

　　現(xiàn)在我們來看另一種情形，就是負(fù)載電流超過了輸入限流設(shè)定值。此時，輸入限流控制電路開始起作用，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），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(shí)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?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，當(dāng)采用線性PowerPath拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時，在不同的條件下，兩個線性傳輸元件當(dāng)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(guān)PowerPath是如何克服線性PowerPath的缺點(diǎn)。

　　新興方法：運(yùn)用開關(guān)PowerPath來實(shí)現(xiàn)高效率

　　圖3示出了線性PowerPath的一種替代方案，即：開關(guān)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(diǎn) VOUT。一個線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)和線性PowerPath是一樣的。開關(guān)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(guān)），因為它是一條開關(guān)路徑，而非線性路徑。

　　圖3：開關(guān)PowerPath方框圖。與線性PowerPath相比，開關(guān)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(guān)）

　　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(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(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(wù)托付給了開關(guān)穩(wěn)壓器，而只負(fù)責(zé)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(qiáng)項。

　　基于USB的恒定功率充電

　　目前，許多便攜式產(chǎn)品的一個重要特點(diǎn)是具備了從一個USB端口進(jìn)行充電的便利。LTC4088和LTC4098具有一個獨(dú)特的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)使得它們能夠限制其輸入電流消耗 （以適應(yīng)那些符合USB規(guī)格的應(yīng)用），并最大限度地增加可提供給負(fù)載和電池充電的功率。這兩款器件不僅具有低 （100mA） 和高 （500mA） 功率USB設(shè)定值，而且還支持一個較高的1A功率設(shè)定值，以滿足墻上適配器應(yīng)用的需要。

　　對于那些采用大型電池的產(chǎn)品，USB電流控制會成為決定輸送多少功率至電池 （用于充電） 的限制因素。當(dāng)采用線性PowerPath拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時，輸入和輸出被限流 —— 負(fù)載電流與電池充電電流之和不能超過輸入電流。在該場合中，開關(guān)PowerPath明顯優(yōu)于線性PowerPath。在開關(guān)PowerPath拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，輸入仍然被限流，但這僅僅限制了至負(fù)載和充電器的可用功率。這是一個很重要的區(qū)別。圖4給出了一個實(shí)例，它說明了LTC4088是如何實(shí)現(xiàn)高達(dá)40% 的充電電流增幅 （相比于線性PowerPath設(shè)計）。

　　圖4：輸入功率受限時的充電電流

　　請注意，盡管USB電流被限制為500mA，但是，由于開關(guān)PowerPath系統(tǒng)具有高效率，因此充電電流可以高于500mA。于是，較高的效率不僅產(chǎn)生的熱量極少，而且還縮短了充電時間。

　　與采用輸出電流受控型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) （旨在保持與USB規(guī)格的相符性） 的器件相比，LTC4088和LTC4098的輸入電流受限型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有一項重要的優(yōu)勢。這是因為隨著電池電壓在整個充電周期中的上升，電池所消耗的有效功率也將增加 （假設(shè)電流是恒定的）。為了在輸出電流受控型系統(tǒng)中保持與USB規(guī)格的符合性 （假設(shè)具有理想的效率），將不得不把電池充電電流限制至其功率限制值 （在最高電池電壓條件下）。

　　例如：如欲在4.2V的電池電壓條件下保持低于2.5W （5VIN?500mA） 的功率輸送，則充電電流一定不得超過595mA。當(dāng)電池電壓很低時 （比如：3.4V），該電流限值過于保守，此時將能夠輸送735mA的電流，而不會違犯USB規(guī)格。專為實(shí)現(xiàn)與USB規(guī)格的相符性而設(shè)計的輸入電流受限型器件 （例如：LTC4088和LTC4098） 使充電器能夠使用該額外的可用電流。與此相反，專為與USB規(guī)格相符而設(shè)計的輸出電流調(diào)整型開關(guān)充電器則必須被設(shè)置成把電池充電電流限制為高電壓場合時的數(shù)值 （595mA），因而在低電池電壓條件下將其切斷。換句話說，輸入電流受限型開關(guān)充電器始終在容許的范圍內(nèi)盡可能多地從輸入電源吸取功率，而輸出電流受控型開關(guān)充電器則并非如此。

　　即時接通 （低電池電量系統(tǒng)起動）

　　圖5示出了開關(guān)PowerPath拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的“即時接通”功能。當(dāng)電池電壓非常低且系統(tǒng)負(fù)載未超過可用編程功率時，輸出電壓將被保持在3.6V左右。這可以防止系統(tǒng)不得不等待電池電壓上升之后才能接通設(shè)備 —— 對于最終用戶而言，這種被迫等待的情形是令人沮喪的。

　　圖5：VOUT與BAT的關(guān)系曲線

　　這是備有一個去耦輸出節(jié)點(diǎn)和電池節(jié)點(diǎn) （即：三端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)） 的主要原因。在低功率模式中，該功能電路可被用于給系統(tǒng)供電。例如：它可能恰好提供了足以執(zhí)行起動操作的功率，并向用戶發(fā)出“系統(tǒng)正在進(jìn)行充電”的指示信號。

　　自動負(fù)載優(yōu)先級處理

　　在 VOUT條件下輸送至系統(tǒng)的電流和電池充電電流一起，在開關(guān)穩(wěn)壓器上形成了一個組合負(fù)載。如果該組合負(fù)載未超過由輸入電流限制電路所設(shè)置的功率級，則開關(guān) PowerPath拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將能夠恰當(dāng)?shù)靥峁┏潆婋娏骱拓?fù)載電流，不會發(fā)生任何問題。然而，如果總負(fù)載超過了可用功率，則電池充電器將自動放棄其部分或全部功率份額，以支持額外的負(fù)載。就是說：系統(tǒng)負(fù)載始終是優(yōu)先的，而電池充電則只是伺機(jī)而行。這種算法為系統(tǒng)負(fù)載提供了不間斷的電源。即使單單系統(tǒng)負(fù)載便超過了輸入限制電路可提供的功率，輸入電流仍然不會超過其編程限值。相反，電池充電器將完全關(guān)斷，而且額外的功率將通過理想二極管從電池吸取。

　　當(dāng)理想二極管開始起作用時，從電池至輸出引腳的傳導(dǎo)路徑大約為180mΩ。如果這對于應(yīng)用而言已經(jīng)足夠的話，則無需外部元件。然而，如果需要更大的電導(dǎo)，則可使用一個外部MOSFET，以對內(nèi)部理想二極管提供補(bǔ)充。LTC4088和LTC4098均具有一個控制引腳，用于驅(qū)動可任選的外部晶體管的柵極?？梢圆捎镁?0mΩ或更低電阻的晶體管，旨在起到補(bǔ)充內(nèi)部理想二極管的作用。

　　全功能電池充電器

　　LTC4088和LTC4098都包括一個全功能電池充電器。這種電池充電器具有可編程充電電流、電池預(yù)查驗 （失效電池檢測和充電終止）、CC-CV （恒定電流-恒定電壓） 充電、C/10充電結(jié)束檢測、安全定時器終止、自動再充電和一個熱敏電阻信號調(diào)理器 （用于實(shí)現(xiàn)適宜溫度充電）。

　　LTC4098的改進(jìn)之處

　　LTC4098擁有幾項LTC4088所不具備的功能。首先，它支持對一個外部高電壓開關(guān)穩(wěn)壓器進(jìn)行控制的能力 （旨在從諸如汽車電池等第二輸入電源來接收功率）。LTC4098還包括一個獨(dú)立的過壓保護(hù)模塊，該模塊能夠與一個外部MOSFET一起提供針對低電壓 （USB/WALL） 輸入的重要輸入保護(hù)功能。

　　高電壓輸入控制器

　　當(dāng)存在第二個輸入電源時，LTC4098的外部輸入控制電路能夠加以識別，并在該輸入和USB/WALL輸入被同時供電的情況下對其進(jìn)行優(yōu)先處理。此外，LTC4098還可與凌力爾特的許多高電壓降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器相連，以便于采用較高電壓輸入 （比如：汽車電池）。運(yùn)用上文所述的Bat-Track方法，輔助輸入控制器命令高電壓穩(wěn)壓器在VOUT上產(chǎn)生一個電壓，該電壓將跟蹤剛好高于電池電壓的電壓值。同樣，這種方法實(shí)現(xiàn)了很高的充電效率，即使在從一個相當(dāng)高的電壓來充電的時候也不例外。

　　過壓保護(hù)

　　LTC4098包括一個過壓保護(hù)控制器，可用于保護(hù)低電壓USB/WALL輸入免遭無意施加的高電壓或來自一個故障墻上適配器的損壞。該電路負(fù)責(zé)控制一個外部高電壓N型MOSFET的柵極。通過采用一個外部晶體管 （用于實(shí)現(xiàn)高電壓截止），保護(hù)等級將不限于LTC4098的工藝參數(shù)。相反，外部晶體管的規(guī)范將決定所提供的保護(hù)等級。

　　結(jié)論

　　LTC4088和LTC4098是電源管理和電池充電領(lǐng)域中新產(chǎn)品的典型代表。通過把恒定輸入功率限制與一個高效率開關(guān)穩(wěn)壓器和Bat-Track電池充電電路組合起來，這兩款器件均優(yōu)化了功率輸送。其他的好處包括：即時接通型系統(tǒng)起動、自動負(fù)載優(yōu)先級處理以及無與倫比的充電效率。憑借一個用于較高輸入電壓 （例如：汽車電池） 的輔助輸入控制器和一個過壓保護(hù)控制器，LTC4098較之LTC4088在功能上得到了進(jìn)一步的增強(qiáng)。