利用自主电源管理器简化锂离子电池充电过程
2006-11-10 11:51:58
来源：半导体器件应用网
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对于如今的电池供电手持设备的系统设计工程师来说，他们所面临的一些主要挑战包括最大限度地降低功耗、最大限度地提高效率、简化设计以及降低成本。
现今的许多便携式电池供电电子产品可从交流电适配器、汽车适配器、USB端口或锂离子/聚合物电池获得电源。然而，对这些不同电源之间的电源路径控制进行自主管理具有极大的技术挑战性。一直以来，设计师们都试图采取“分立”的方式来完成该功能，即采用大量MOSFET、运算放大器和其他的分立元件，但其间遇到了有可能引发重大系统问题的热插拔和大涌入电流等难题。近来，即使是分立IC解决方案也需要采用多颗芯片来实现一个实用的解决方案，而集成化的电源管理器IC则能够轻易地解决这些问题。此外，IC的自主独立操作还免除了增设一个用于实现充电终止功能的外部微处理器的需要，从而进一步地简化了设计。
当采用诸如FireWire、未稳压的高电压(>5.5V)交流电适配器和汽车适配器时，适配器的电压源和手持设备中的电池之间的电压差非常大。因此，线性充电器也许不能够解决高功耗的问题，而采用开关模式拓扑结构的IC却能够改善效率，并减轻热管理问题。值得注意的是，当采用USB、锂离子/聚合物电池或输入低于5.5V的适配器来供电时，线性充电器/电源管理器是更加合适的选择。
PowerPath控制
具有PowerPath控制功能的器件可从USB VBUS或交流电适配器电源来为其自身供电，并对其单节锂离子电池进行充电。为了确保一个满充电电池在连接总线时处于未被使用过的状态，该IC通过USB总线来直接向负载供电，而不是从电池获取功率。一旦电源拿掉，则电流将通过一个内部低损耗理想二极管从电池流至负载，从而最大限度地减少了压降和功耗。
PowerPath控制的特点：
1. 从USB电源、交流电适配器或电池获得电能；
2. 向一个与OUT引脚相连的应用电路以及一个与BAT引脚相连的电池输送功率(假设接入了一个外部电源，而不是电池)；
3. 将对电池充电电流进行调节，以确保充电电流与负载电流之和不超过已设置的USB输入电流限值；
4. 交流电适配器电流可通过一个外部器件(例如功率肖特基二极管或FET)连接至输出(负载侧)；
5. 具备一项独特功能，即可采用由交流电适配器提供电源的输出在向负载供电的同时对电池进行充电；
6. OUT引脚上的负载可优先获得USB输入电流。
理想二极管
当输出/负载电流超过了输入电流限值或输入电源被拿掉时，一个低损耗理想二极管将从电池来提供电源。通过理想二极管(而不是把负载直接连接至电池)来给负载供电可使一个满充电电池在外部电源拿掉之前保持满充电状态。一旦外部电源被移除，则输出电压下降，直到理想二极管被施加正向偏压为止。加有正向偏压的理想二极管随后将从电池向负载提供输出功率。理想二极管的正向压降远远低于传统二极管，而且其反向漏电流也更小。小幅的正向压降减少了功耗和自发热，从而延长了电池的使用寿命。
理想二极管具有以下的特点：
1. 当输出/负载电流超过输入电流限值或当输入电源被拿掉时，理想二极管部件将从电池来提供电源；
2. 通过理想二极管(而不是把负载直接连接至电池)来给负载供电可使一个满充电的电池在外部电源被拿掉之前保持满充电状态，并使得器件即使在采用一个完全耗尽的电池的情况下也能够正常工作；
3. 一旦外部电源被移除，则输出电压下降，直到理想二极管被施加正向偏压为止。被加有正向偏压的理想二极管随后将从电池向负载提供输出功率；
4. 如果电池是仅有的可用电源或者负载电流超过了已设输入电流限值，则电池将通过一个布设于BAT和OUT引脚之间的理想二极管电路自动地向负载输送功率；
5. 理想二极管(以及OUT引脚上的推荐电容器)使得IC能够在无需使用大的体电容器的情况下处理大的瞬变负载和交流电适配器或USB VBUS连接/断接模式；
6. 低损耗理想二极管通过降低与电源路径有关的IR压降延长了电池的运行时间。
凌特公司的电源管理器IC系列解决了上述的设计问题。在该领域中，实现了该功能的两款主要的新产品是LTC4085 USB电源管理器和高电压电池充电器的LTC4089电源管理器。
USB电源管理器—LTC4085
LTC4085是一款面向便携式USB设备的单片式自主电源管理器、理想二极管控制器和独立型线性电池充电器。LTC4085具有PowerPath控制功能，可从USB VBUS或交流电适配器电源来为系统负载供电，并对单节锂离子/聚合物电池进行充电。为了与USB电流限值规格相符合，LTC4085将在系统负载电流增加时自动减小电池充电电流。为了确保一个满充电电池在连接总线时处于未被使用过的状态，该IC通过USB总线来向负载输送功率，而没有采取从电池获取功率的做法。一旦电源被拿掉，则电流将通过一个200mΩ内部低损耗理想二极管从电池流至负载，从而最大限度地减少了压降和功耗。提供了用于驱动一个可选的外部GATE PFET连接器件的板载电路，以便在应用需要的情况下把理想二极管的总阻抗降至30mΩ以下。
LTC4085的独特功能是可检测交流电适配器的接入，并将其用作一种在向系统负载供电的同时给电池充电的备用电源。LTC4085还提供了一种在交流电适配器接入的情况下以高于USB规格容许值(100/500mA)的额定值(高达1.5A)来对电池进行充电的选项，这样便能够大幅度地提高电池的充电速度。用于充电终止的总充电时间由一个外部电阻器来设置。当充电电流减小时，充电定时器周期将自动延长，以确保电池始终处于满充电状态。额外的功能包括自动再充电、NTC热敏电阻输入、交流电适配器输入被移除时自动切换至电池、涌入电流限制、反向电流隔离、欠压闭锁和热调整。
LTC4085的浮动电压预设为4.2V，0~85℃温度范围内的保证准确度为0.8%。充电电流可以很容易地利用一个电阻器来设置。对于电池预处理和适宜温度充电认证，将自动地以10%的编程电流对完全放电的电池进行涓流充电，直到电池电压超过2.8V为止。LTC4085应用电路如图1所示。
对于像GPS导航装置、PDA、数码相机、数字照片阅读器、MP3/MP4播放机等手持设备而言，提供USB和高输入电压源以及电池充电能力具有诸多好处，例如USB电源使您拥有了不必在旅途中携带旅行装充电器的便利，可以从一个膝上型PC或其它某种具有USB端口的装置来为您的设备供电。诸如FireWire、12~24V交流电适配器或汽车车载适配器输出等高电压输入电源可提供高于USB的充电速度，并允许在更多的场所(如汽车)中进行充电，而这正是提高设备便携性的关键之一。
便利性和高功率特点
LTC4089和LTC4089-5是面向便携式USB设备的自主电源管理器、理想二极管控制器和独立型高电压、高效率电池充电器。为了实现高效充电，它们的开关拓扑结构可适应各种输入，包括高达36V(最大值为40V)的高电压电源(例如12V交流电适配器、汽车适配器和FireWire端口)。此外，它们还接受诸如5V适配器和USB等低电压电源。LTC4089-5具有PowerPath控制功能，可从USB总线或交流电适配器电源向设备供电，并对设备的单节锂离子电池进行充电，而且还可在采用一个电量耗尽或严重不足的电池情况下实现“即时接通”操作。LTC4089的典型应用电路如图2所示。
为了与USB电流限值规格相符合，LTC4089-5将在系统负载电流增加时自动减小电池充电电流。为了确保一个满充电电池在连接总线时处于满充电状态终止，该IC通过USB总线来向负载输送功率，而没有采取从电池吸取功率的做法。一旦所有的电源均被拿掉，则电流将通过一个200mΩ内部低损耗理想二极管从电池流至负载，因而最大限度地减少了压降和功耗。提供了用于驱动一个可选的外部PFET的板载电路，以便在应用需要的情况下把理想二极管的总阻抗降至30mΩ以下，从而进一步提高了工作效率。
当LTC4089-5的电源从一个USB端口来提供时，电源管理器可实现系统负载可用功率的最大化，即增加至2.5W(500mA×5V)的满USB可用功率。而且，它将根据系统负载电流来自动地调节锂离子/聚合物电池的充电电流，旨在保持总输入电流与USB限值的一致性。
LTC4089的开关稳压器具有BAT-Track自适应输出控制功能，该功能极大地改善了其可提供1.2A充电电流的电池充电器的效率，因为开关稳压器的输出电压自动地跟踪电池电压。LTC4089-5从高电压输入提供了一个固定的5V输出，用于对单节锂离子/聚合物电池进行充电。该电池充电器的浮动电压预设为4.2V，在0~85℃温度范围内保证准确度为1.0%。充电电流可以很容易地通过一个电阻器来设置。用于充电终止的总充电时间由一个外部电容器来设置，并提供了一个C/10充电电流检测输出。额外的功能包括自动热调整、用于适宜温度充电的NTC热敏电阻输入、电池的自动再充电、反向电流隔离和欠压闭锁。LTC4089-5采用扁平(高度仅0.75mm)的纤巧型22引脚6mm×3mm DFN封装，且保证可在-40~85℃的温度范围内正常工作。
BAT-Track自适应输出控制
LTC4089的BAT-Track功能是自适应输出控制的一种形式。它是电池充电器和开关稳压器的集成，这样，开关稳压器将仅产生支持电池充电器所需的足够电压，而不会产生多余的电压。对于线性电源路径产品，输入电压与电池电压之差在充电过程中被作为热量而损失掉了。
当实现一个开关稳压器时，在转换开关的两端产生尽可能大的压降是有利的，因为它可以高效地完成(从输入吸收的电流小于输送至充电器的电流)。BAT-Track功能负责检测BAT电压，并把开关稳压器输出VOUT调节至比电池电压VBAT高300mV，从而最大限度地减少了因功率损耗所导致的发热，可对电池进行适当的充电并最大限度地降低总功耗。这极大地改善了电池充电器的效率。例如：当充电电流IBAT=600 mA、VBAT=3.7V且充电器输入电压VIN=5V时，充电器的效率(采用项代入法)为：100×POUT/(POUT＋PDIS)=100×(VBAT×IBAT) /(VBAT×IBAT＋PDIS)=100×(VBAT×IBAT)/(VIN×IIN)=(3.7V×600mA)/(5V×600mA)=74%。
反之，如果充电器输入电压比VBAT高300mV，则充电器的效率为：100×(VBAT×IBAT)/(VIN×IIN)=(3.7V×600mA)/((3.7V＋0.3V)×600mA)=92.5%。
这种效率差异将显著地降低功耗。而且，如果电池过度放电和VBAT下降至过低的电压值，则最小VOUT应为3.6V，以确保系统负载能够获得一个足够的电源电压。
现今的许多便携式电池供电电子产品可从交流电适配器、汽车适配器、USB端口或锂离子/聚合物电池获得电源。然而，对这些不同电源之间的电源路径控制进行自主管理具有极大的技术挑战性。一直以来，设计师们都试图采取“分立”的方式来完成该功能，即采用大量MOSFET、运算放大器和其他的分立元件，但其间遇到了有可能引发重大系统问题的热插拔和大涌入电流等难题。近来，即使是分立IC解决方案也需要采用多颗芯片来实现一个实用的解决方案，而集成化的电源管理器IC则能够轻易地解决这些问题。此外，IC的自主独立操作还免除了增设一个用于实现充电终止功能的外部微处理器的需要，从而进一步地简化了设计。
当采用诸如FireWire、未稳压的高电压(>5.5V)交流电适配器和汽车适配器时，适配器的电压源和手持设备中的电池之间的电压差非常大。因此，线性充电器也许不能够解决高功耗的问题，而采用开关模式拓扑结构的IC却能够改善效率，并减轻热管理问题。值得注意的是，当采用USB、锂离子/聚合物电池或输入低于5.5V的适配器来供电时，线性充电器/电源管理器是更加合适的选择。
PowerPath控制
具有PowerPath控制功能的器件可从USB VBUS或交流电适配器电源来为其自身供电，并对其单节锂离子电池进行充电。为了确保一个满充电电池在连接总线时处于未被使用过的状态，该IC通过USB总线来直接向负载供电，而不是从电池获取功率。一旦电源拿掉，则电流将通过一个内部低损耗理想二极管从电池流至负载，从而最大限度地减少了压降和功耗。
PowerPath控制的特点：
1. 从USB电源、交流电适配器或电池获得电能；
2. 向一个与OUT引脚相连的应用电路以及一个与BAT引脚相连的电池输送功率(假设接入了一个外部电源，而不是电池)；
3. 将对电池充电电流进行调节，以确保充电电流与负载电流之和不超过已设置的USB输入电流限值；
4. 交流电适配器电流可通过一个外部器件(例如功率肖特基二极管或FET)连接至输出(负载侧)；
5. 具备一项独特功能，即可采用由交流电适配器提供电源的输出在向负载供电的同时对电池进行充电；
6. OUT引脚上的负载可优先获得USB输入电流。
理想二极管
当输出/负载电流超过了输入电流限值或输入电源被拿掉时，一个低损耗理想二极管将从电池来提供电源。通过理想二极管(而不是把负载直接连接至电池)来给负载供电可使一个满充电电池在外部电源拿掉之前保持满充电状态。一旦外部电源被移除，则输出电压下降，直到理想二极管被施加正向偏压为止。加有正向偏压的理想二极管随后将从电池向负载提供输出功率。理想二极管的正向压降远远低于传统二极管，而且其反向漏电流也更小。小幅的正向压降减少了功耗和自发热，从而延长了电池的使用寿命。
理想二极管具有以下的特点：
1. 当输出/负载电流超过输入电流限值或当输入电源被拿掉时，理想二极管部件将从电池来提供电源；
2. 通过理想二极管(而不是把负载直接连接至电池)来给负载供电可使一个满充电的电池在外部电源被拿掉之前保持满充电状态，并使得器件即使在采用一个完全耗尽的电池的情况下也能够正常工作；
3. 一旦外部电源被移除，则输出电压下降，直到理想二极管被施加正向偏压为止。被加有正向偏压的理想二极管随后将从电池向负载提供输出功率；
4. 如果电池是仅有的可用电源或者负载电流超过了已设输入电流限值，则电池将通过一个布设于BAT和OUT引脚之间的理想二极管电路自动地向负载输送功率；
5. 理想二极管(以及OUT引脚上的推荐电容器)使得IC能够在无需使用大的体电容器的情况下处理大的瞬变负载和交流电适配器或USB VBUS连接/断接模式；
6. 低损耗理想二极管通过降低与电源路径有关的IR压降延长了电池的运行时间。
凌特公司的电源管理器IC系列解决了上述的设计问题。在该领域中，实现了该功能的两款主要的新产品是LTC4085 USB电源管理器和高电压电池充电器的LTC4089电源管理器。
USB电源管理器—LTC4085
LTC4085是一款面向便携式USB设备的单片式自主电源管理器、理想二极管控制器和独立型线性电池充电器。LTC4085具有PowerPath控制功能，可从USB VBUS或交流电适配器电源来为系统负载供电，并对单节锂离子/聚合物电池进行充电。为了与USB电流限值规格相符合，LTC4085将在系统负载电流增加时自动减小电池充电电流。为了确保一个满充电电池在连接总线时处于未被使用过的状态，该IC通过USB总线来向负载输送功率，而没有采取从电池获取功率的做法。一旦电源被拿掉，则电流将通过一个200mΩ内部低损耗理想二极管从电池流至负载，从而最大限度地减少了压降和功耗。提供了用于驱动一个可选的外部GATE PFET连接器件的板载电路，以便在应用需要的情况下把理想二极管的总阻抗降至30mΩ以下。
LTC4085的独特功能是可检测交流电适配器的接入，并将其用作一种在向系统负载供电的同时给电池充电的备用电源。LTC4085还提供了一种在交流电适配器接入的情况下以高于USB规格容许值(100/500mA)的额定值(高达1.5A)来对电池进行充电的选项，这样便能够大幅度地提高电池的充电速度。用于充电终止的总充电时间由一个外部电阻器来设置。当充电电流减小时，充电定时器周期将自动延长，以确保电池始终处于满充电状态。额外的功能包括自动再充电、NTC热敏电阻输入、交流电适配器输入被移除时自动切换至电池、涌入电流限制、反向电流隔离、欠压闭锁和热调整。
LTC4085的浮动电压预设为4.2V，0~85℃温度范围内的保证准确度为0.8%。充电电流可以很容易地利用一个电阻器来设置。对于电池预处理和适宜温度充电认证，将自动地以10%的编程电流对完全放电的电池进行涓流充电，直到电池电压超过2.8V为止。LTC4085应用电路如图1所示。
对于像GPS导航装置、PDA、数码相机、数字照片阅读器、MP3/MP4播放机等手持设备而言，提供USB和高输入电压源以及电池充电能力具有诸多好处，例如USB电源使您拥有了不必在旅途中携带旅行装充电器的便利，可以从一个膝上型PC或其它某种具有USB端口的装置来为您的设备供电。诸如FireWire、12~24V交流电适配器或汽车车载适配器输出等高电压输入电源可提供高于USB的充电速度，并允许在更多的场所(如汽车)中进行充电，而这正是提高设备便携性的关键之一。
便利性和高功率特点
LTC4089和LTC4089-5是面向便携式USB设备的自主电源管理器、理想二极管控制器和独立型高电压、高效率电池充电器。为了实现高效充电，它们的开关拓扑结构可适应各种输入，包括高达36V(最大值为40V)的高电压电源(例如12V交流电适配器、汽车适配器和FireWire端口)。此外，它们还接受诸如5V适配器和USB等低电压电源。LTC4089-5具有PowerPath控制功能，可从USB总线或交流电适配器电源向设备供电，并对设备的单节锂离子电池进行充电，而且还可在采用一个电量耗尽或严重不足的电池情况下实现“即时接通”操作。LTC4089的典型应用电路如图2所示。
为了与USB电流限值规格相符合，LTC4089-5将在系统负载电流增加时自动减小电池充电电流。为了确保一个满充电电池在连接总线时处于满充电状态终止，该IC通过USB总线来向负载输送功率，而没有采取从电池吸取功率的做法。一旦所有的电源均被拿掉，则电流将通过一个200mΩ内部低损耗理想二极管从电池流至负载，因而最大限度地减少了压降和功耗。提供了用于驱动一个可选的外部PFET的板载电路，以便在应用需要的情况下把理想二极管的总阻抗降至30mΩ以下，从而进一步提高了工作效率。
当LTC4089-5的电源从一个USB端口来提供时，电源管理器可实现系统负载可用功率的最大化，即增加至2.5W(500mA×5V)的满USB可用功率。而且，它将根据系统负载电流来自动地调节锂离子/聚合物电池的充电电流，旨在保持总输入电流与USB限值的一致性。
LTC4089的开关稳压器具有BAT-Track自适应输出控制功能，该功能极大地改善了其可提供1.2A充电电流的电池充电器的效率，因为开关稳压器的输出电压自动地跟踪电池电压。LTC4089-5从高电压输入提供了一个固定的5V输出，用于对单节锂离子/聚合物电池进行充电。该电池充电器的浮动电压预设为4.2V，在0~85℃温度范围内保证准确度为1.0%。充电电流可以很容易地通过一个电阻器来设置。用于充电终止的总充电时间由一个外部电容器来设置，并提供了一个C/10充电电流检测输出。额外的功能包括自动热调整、用于适宜温度充电的NTC热敏电阻输入、电池的自动再充电、反向电流隔离和欠压闭锁。LTC4089-5采用扁平(高度仅0.75mm)的纤巧型22引脚6mm×3mm DFN封装，且保证可在-40~85℃的温度范围内正常工作。
BAT-Track自适应输出控制
LTC4089的BAT-Track功能是自适应输出控制的一种形式。它是电池充电器和开关稳压器的集成，这样，开关稳压器将仅产生支持电池充电器所需的足够电压，而不会产生多余的电压。对于线性电源路径产品，输入电压与电池电压之差在充电过程中被作为热量而损失掉了。
当实现一个开关稳压器时，在转换开关的两端产生尽可能大的压降是有利的，因为它可以高效地完成(从输入吸收的电流小于输送至充电器的电流)。BAT-Track功能负责检测BAT电压，并把开关稳压器输出VOUT调节至比电池电压VBAT高300mV，从而最大限度地减少了因功率损耗所导致的发热，可对电池进行适当的充电并最大限度地降低总功耗。这极大地改善了电池充电器的效率。例如：当充电电流IBAT=600 mA、VBAT=3.7V且充电器输入电压VIN=5V时，充电器的效率(采用项代入法)为：100×POUT/(POUT＋PDIS)=100×(VBAT×IBAT) /(VBAT×IBAT＋PDIS)=100×(VBAT×IBAT)/(VIN×IIN)=(3.7V×600mA)/(5V×600mA)=74%。
反之，如果充电器输入电压比VBAT高300mV，则充电器的效率为：100×(VBAT×IBAT)/(VIN×IIN)=(3.7V×600mA)/((3.7V＋0.3V)×600mA)=92.5%。
这种效率差异将显著地降低功耗。而且，如果电池过度放电和VBAT下降至过低的电压值，则最小VOUT应为3.6V，以确保系统负载能够获得一个足够的电源电压。
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