便攜式電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)是創(chuàng)建在一次電池充電的情況下無休止地運(yùn)行所有功能的設(shè)備。雖然不可能完全應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，但每一代電池至少都更接近這一目標(biāo)。隨著設(shè)備現(xiàn)在采用大型充滿活力的觸摸感應(yīng)顯示器、多核 CPU 和圖形處理器，以及用于全球任何地方高速通信的各種無線調(diào)制解調(diào)器，高電池容量至關(guān)重要。電池制造商已經(jīng)通過容量超過30瓦時(shí)的輕巧緊湊電池滿足了需求。

雖然USB已成為設(shè)備互連，同步和數(shù)據(jù)交換的主要標(biāo)準(zhǔn)，但其供電能力并未跟上電池需求的步伐。USB 2.0 允許最大 2.5W 負(fù)載，而 USB 3.0 將限制擴(kuò)展到 4.5W。即使具有完美的效率并且所有電力都直接流向電池，通過USB進(jìn)行完整的充電周期也需要一夜之間，然后是一些時(shí)間。雖然USB不適合作為大容量電池的主要電源，但它仍然具有很大的價(jià)值，作為一種機(jī)會(huì)主義的電源，可以在可能的情況下充電，并在設(shè)備連接到傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)時(shí)防止電池耗盡。

兩全其美

LTC?4155 是一款單片式開關(guān)電池充電器，可在緊湊的 PCB 占板面積內(nèi)高效提供 3.5A 充電電流。圖1顯示了典型應(yīng)用中所需的組件。2.25MHz 開關(guān)頻率允許使用小型電感器和旁路電容器，以最大限度地減小整體 PCB 占板面積。

圖1.我2C控制大功率電池充電器/USB電源管理器。

即使在多安培充電速率下，高效率（圖 2）不僅對(duì)于優(yōu)化利用可用輸入功率至關(guān)重要，而且對(duì)于控制便攜式設(shè)備內(nèi)部的功耗也至關(guān)重要。在緊密封閉的空間中，高功耗和邊際熱性能的結(jié)合會(huì)使具有效率較低的充電解決方案的設(shè)備太熱而無法舒適地握持。為了幫助保持冷卻，LTC4155 的集成電源開關(guān)具有一個(gè)遠(yuǎn)低于 100mΩ 的導(dǎo)通電阻。

圖2.開關(guān)穩(wěn)壓器效率。

雖然 LTC4155 的電源開關(guān)的尺寸能夠處理比 USB 提供的電流更高的電流，但 LTC4155 仍然完全與 USB 兼容，以實(shí)現(xiàn)機(jī)會(huì)性充電。輸入電流在內(nèi)部自動(dòng)測(cè)量，并限制在十六個(gè)I中的任何一個(gè)2C 用戶可選值。在這些設(shè)置中，三個(gè)對(duì)應(yīng)于 USB 2.0 的保證最大限值為 100mA 和 500mA，USB 3.0 的保證最大限值為 900mA。自動(dòng)輸入電流限制也可以與交流適配器或其他電源一起使用，方法是選擇任何其他電流限制設(shè)置，最大可達(dá) 3A。

LTC4155 支持一個(gè)引腳可編程的上電接通默認(rèn)輸入電流。對(duì)于不需要USB兼容性的高功率應(yīng)用，連接到CLPROG1引腳的單個(gè)電阻器可設(shè)置默認(rèn)的上電輸入電流。選擇該電阻器以對(duì)應(yīng)于最適合特定應(yīng)用、預(yù)期電源能力等的初始電流限制。上電后，輸入電流限值可在I下修改2C 控制到其他 16 種可用設(shè)置中的任何一種，最高可達(dá) 3A。

對(duì)于 USB 應(yīng)用，可將 CLPROG1 和 CLPROG2 引腳連接在一起，以便對(duì) LTC4155 進(jìn)行編程，以強(qiáng)制執(zhí)行 USB 電流限制規(guī)則。施加外部電源時(shí)，輸入電流限值將默認(rèn)為100mA。使用USB主機(jī)控制器成功枚舉后，輸入電流限制設(shè)置可以在I2C控制至500mA或900mA視情況而定。圖3顯示了系統(tǒng)負(fù)載和電池充電器的可用電流。請(qǐng)注意，開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出電流高于USB限制輸入電流。如果系統(tǒng)檢測(cè)到電源是交流適配器、專用 USB 充電器或其他非 USB 電源，則可以在 I 下增加輸入電流限制設(shè)置2C 控制到任何其他設(shè)置，最高可達(dá) 3A。

圖3.在電池放電前提供符合 USB 標(biāo)準(zhǔn)的負(fù)載電流。

無縫處理多個(gè)輸入連接器

LTC4155 任選地接受來自兩個(gè)電源的輸入，從而解決了將電源從兩個(gè)不同的物理連接器智能路由到產(chǎn)品的挑戰(zhàn)。當(dāng)兩個(gè)輸入源同時(shí)連接時(shí)，使用哪個(gè)源的決定基于用戶可編程的優(yōu)先級(jí)。只要每個(gè)輸入電壓都在有效工作范圍內(nèi)，就可以選擇任何一個(gè)，而不必?fù)?dān)心哪個(gè)電壓高于另一個(gè)。例如，這允許 4.5V/2A 交流適配器優(yōu)于 5V/500mA USB 端口。如果取消了USB連接，并且將5V/3A交流適配器連接到同一端口，則可以通過I修改輸入源優(yōu)先級(jí)2C 切換到新的更高電源。

LTC4155 支持獨(dú)立的 I2C 可編程輸入電流限值，適用于其兩個(gè)電源輸入中的每一個(gè)。當(dāng)更高優(yōu)先級(jí)的輸入源斷開連接時(shí)，充電可以不間斷地繼續(xù)，并自動(dòng)降低到新的最大輸入電流下限。系統(tǒng)微控制器無需立即注意。

根據(jù)為輸入多路復(fù)用器選擇的外部元件，如果需要應(yīng)用，可以輕松實(shí)現(xiàn)高達(dá) ±77V 的過壓和反向保護(hù)。此外，LTC4155 能夠利用額外的外部組件為 USB 連接器提供一個(gè) USB 行駛中的 5V 限流電源。

廣泛的可編程性和遙測(cè)功能，適用于高級(jí)充電算法

LTC4155 提供了連續(xù) I2C 狀態(tài)報(bào)告，允許系統(tǒng)軟件全面了解輸入電源的狀態(tài)、故障條件、電池充電循環(huán)狀態(tài)、電池溫度和其他幾個(gè)參數(shù)。

按鍵電荷參數(shù)可在 I 下更改2C 控制實(shí)現(xiàn)自定義充電算法。與基于微控制器或其他可編程充電算法不同，軟件 I 下提供所有可能的 LTC4155 設(shè)置2C 控制對(duì)電池本質(zhì)安全。浮動(dòng)電壓永遠(yuǎn)不能設(shè)置為高于4.2V或低于4.05V。類似地，電池充電電流可編程為 15 種可能設(shè)置之一，但軟件可能永遠(yuǎn)不會(huì)通過選擇與電池容量和最大充電速率相匹配的編程電阻將限值提高到設(shè)計(jì)人員設(shè)置的水平以上。

連續(xù)的電池溫度數(shù)據(jù)可供系統(tǒng)軟件使用，以動(dòng)態(tài)調(diào)整系統(tǒng)或充電器行為，以管理極端操作角落。例如，浮動(dòng)電壓和/或充電電流可能會(huì)降低到I2C 控制可提高高環(huán)境溫度下的電池安全裕度。同樣，可以響應(yīng)高溫降低充電電流或總系統(tǒng)負(fù)載電流，以減少產(chǎn)品外殼內(nèi)的額外熱量。

與電池充電器可編程性的所有其他方面一樣，LTC4155 實(shí)現(xiàn)了本質(zhì)安全型充電解決方案，無需（或盡管）任何軟件干預(yù)。當(dāng)電池溫度降至 0°C 以下或升至 40°C 以上時(shí)，電池充電始終暫停。 此外，當(dāng)電池溫度升至60°C以上時(shí)，可以選擇產(chǎn)生故障中斷。 圖 4 示出了 LTC4155 電池溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的傳遞函數(shù)，其中突出顯示了自主充電器截止溫度門限。

圖4.LTC4155 電池溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的傳遞函數(shù)，并突出顯示了自主充電器切斷溫度門限。

電源路徑瞬時(shí)接通操作

在大多數(shù)便攜式產(chǎn)品直接連接到電池的傳統(tǒng)電源架構(gòu)中，沒電的電池可能特別麻煩。當(dāng)電池電壓太低而系統(tǒng)無法運(yùn)行時(shí)，即使在連接到輸入電源幾分鐘后，產(chǎn)品也可能出現(xiàn)無響應(yīng)，這可能會(huì)產(chǎn)生不必要的支持電話。當(dāng)電池容量相對(duì)于可用充電電流非常大時(shí)（例如，具有大容量電池的USB供電系統(tǒng)），問題會(huì)進(jìn)一步復(fù)雜化。

凌力爾特電源路徑?LTC4155 等產(chǎn)品將系統(tǒng)電源軌與電池去耦，以實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)接通操作，并解決由深度放電電池引起的兩個(gè)最棘手的問題。

第一個(gè)問題是，當(dāng)系統(tǒng)電源軌直接連接到電池時(shí)，充電電流和系統(tǒng)負(fù)載變得難以區(qū)分。當(dāng)電池深度放電時(shí)，電池制造商建議大大降低初始充電電流，直到電池電壓達(dá)到更安全的水平。該涓流充電電流必須設(shè)置為電池的安全水平，假設(shè)系統(tǒng)負(fù)載電流最小或沒有系統(tǒng)負(fù)載電流。

其次，在直連電池系統(tǒng)中，如果系統(tǒng)在涓流充電期間運(yùn)行，則用于電池的充電電流的很大一部分被分流到系統(tǒng)軌。由此降低的電池充電電流按比例延長(zhǎng)了恢復(fù)時(shí)間。相當(dāng)大的系統(tǒng)負(fù)載會(huì)導(dǎo)致電池凈電流反轉(zhuǎn)，從而進(jìn)一步使電池放電。在此低電池電量條件下，由于系統(tǒng)電源軌上的電壓不足，筆記本電腦可能無法響應(yīng)用戶。由于公共連接的電池和系統(tǒng)電源軌的可用功率降低，無響應(yīng)的持續(xù)時(shí)間至少乘以 10 倍。

當(dāng)電池深度放電時(shí)，LTC4155 向系統(tǒng)電源軌提供 3.5V 電壓，以實(shí)現(xiàn)即時(shí)啟動(dòng)。隨著電池電壓在預(yù)充電階段上升，LTC4155 可無縫且自動(dòng)地轉(zhuǎn)換到一種高效率模式，以加快充電速度并最大限度地減少熱量產(chǎn)生。圖5顯示了系統(tǒng)電源軌可用的電壓與電池電壓的函數(shù)關(guān)系。

圖5.V外電壓與電池電壓。

LTC4155 電池充電電流的設(shè)置獨(dú)立于輸入電流限值，以將電池充電電流約束與輸入功率限制去耦。輸入電流限值只能根據(jù)輸入電源的限制進(jìn)行編程。類似地，電池充電電流可以僅基于電池容量進(jìn)行編程。LTC4155 始終執(zhí)行輸入電流限制，并在必要時(shí)優(yōu)先于電池充電，從而優(yōu)先于系統(tǒng)負(fù)載的電源。

面對(duì)非理想來源時(shí)堅(jiān)固耐用

LTC4155 具有在輸入電壓開始下降到一個(gè)不可接受的水平時(shí)自動(dòng)降低輸入電流的功能。在高充電電流水平下，當(dāng)通過尺寸過小的電線、尺寸過小的適配器、通過輕度腐蝕的連接器或通常設(shè)計(jì)范圍之外的任意數(shù)量的條件進(jìn)行連接時(shí)，可能會(huì)發(fā)生這種情況。

如果不進(jìn)行干預(yù)，IC的輸入電壓將繼續(xù)下降，最終降至欠壓閉鎖門限以下。然后IC關(guān)斷，允許輸入電壓恢復(fù)并重新啟動(dòng)整個(gè)周期。LTC4155 充分利用了糟糕的情況。當(dāng)輸入電壓降至 4.3V 時(shí)，LTC4155 可平穩(wěn)地降低其輸入功率所需的任何量，以防止輸入電壓進(jìn)一步衰減。在這種模式下，輸送到系統(tǒng)負(fù)載和電池的電流小于編程量，但如果允許輸入電壓振蕩繼續(xù)，則大于可用值。此外，LTC4155 還產(chǎn)生了一個(gè) I2C 狀態(tài)報(bào)告和可選的中斷信號(hào)，用于提醒系統(tǒng)最終用戶可能需要采取糾正或診斷措施以恢復(fù)最大充電電流能力。

結(jié)論

LTC4155 將高電流能力和效率與一個(gè)小的單片式 PCB 占板面積相結(jié)合，非常適合于電路板空間非常寶貴且熱量和充電時(shí)間是敵人的大型鋰電池的便攜式設(shè)備。USB 兼容輸入電流限制設(shè)置進(jìn)一步擴(kuò)展了多功能性，允許從無處不在但功耗較低的電源進(jìn)行機(jī)會(huì)充電。廣泛的遙測(cè)允許基于不斷變化的環(huán)境或應(yīng)用條件的自定義行為，而不會(huì)影響自主電池的安全性。盡管存在電池深度放電或電阻性尺寸過小的輸入電源線等常見問題，仍可將不間斷電源輸送到系統(tǒng)電源軌。LTC4155 采用 28 引腳 4mm × 5mm QFN 封裝。

審核編輯：郭婷