對便攜式設(shè)備電池保護(hù)設(shè)計(jì)所面臨的挑戰(zhàn)

背景

通過 I2C 總線傳送數(shù)據(jù)的應(yīng)用已經(jīng)成熟，不過支持這種接口的電源管理 IC 極少。I2C 是一種簡單的小帶寬、短距離、兩線總線，這種總線不需要芯片選擇或判優(yōu)邏輯。這種協(xié)議提供內(nèi)置的設(shè)備尋址、一個(gè)讀/寫標(biāo)志和一種簡單的確認(rèn)機(jī)制，以確認(rèn)數(shù)據(jù)接收。它是一種非常簡單和具有成本優(yōu)勢的數(shù)據(jù)串傳送方法。

USB 端口也是一種傳送高速數(shù)據(jù)的流行方法，這種端口已經(jīng)成為便攜式設(shè)備電池充電的首選方法，從而使單獨(dú)的交流適配器成為可選配件。不過，采用 USB 端口充電時(shí)，有功率限制。模擬 IC 中的電源通路 （PowerPath） 充電系統(tǒng)拓?fù)湎诉@些限制，從而為系統(tǒng)設(shè)計(jì)師和最終產(chǎn)品用戶提供了無數(shù)好處，例如能夠自主和無縫地管理多個(gè)電源，以支持系統(tǒng)負(fù)載和給電池充電，同時(shí)從 USB 端口抽取最大功率。這種 IC 拓?fù)錅p少了熱量、使充電時(shí)間更短并提供即時(shí)接通工作。

盡管技術(shù)已經(jīng)改進(jìn)了，但是便攜式設(shè)備的電池仍然需要保護(hù)和調(diào)理，以使它們以最佳狀態(tài)運(yùn)行。鋰離子/聚合物電池一些潛在的有害問題包括超過浮置電壓 （不恰當(dāng)?shù)亟K止充電周期） 、很高的充電量、以及高壓和高溫同時(shí)出現(xiàn)。

設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

消費(fèi)者需要短的電池充電時(shí)間，對于產(chǎn)品設(shè)計(jì)師來說，提高充電電流似乎是一個(gè)顯然的選擇。但是這引起了兩個(gè)主要弊端。首先，如果用線性充電器，提高的電流導(dǎo)致功耗增加，而功耗轉(zhuǎn)化為熱量。其次，視主器件商所定模式的不同，充電器必須將從 5V USB 總線吸取的電流限制到 100mA （500mW） 或 500mA （2.5W）。在充電過程中浪費(fèi)的任何功率都直接導(dǎo)致更長的充電周期時(shí)間和熱量增加。這種對高效率充電的需求，加之電池充電器 IC 所需的高功能集成度，以及節(jié)省電路板空間和提高產(chǎn)品可靠性的需求，施加了極大的設(shè)計(jì)壓力。

鋰離子/聚合物化學(xué)組成的電池提供便攜式電子設(shè)備必需的高性能，但是這些電池必須謹(jǐn)慎對待。例如，如果充電至比推薦的浮置電壓高 100mV，那么鋰離子/聚合物電池可能變得不穩(wěn)定。此外，高壓和高溫同時(shí)存在會對電池產(chǎn)生有害影響，在極端情況下，可能會毀壞電池。隨著便攜式產(chǎn)品變得更加復(fù)雜，功耗提高了，從而需要容量更高的電池。大容量電池或者需要更大的充電電流，或者需要延長充電時(shí)間，以達(dá)到滿容量。另外，由于 USB 兼容的電池充電對用戶來說更方便，因此成為首選。不過，如前所述，這種兼容性造成了在 5V 時(shí) 500mA 電流的限制 （最大功率 2.5W），從而限制了從 USB 端口吸取的功率。所以，一個(gè)基于 USB 的電池充電器必須盡可能高效率地從 USB 端口抽取盡可能多的功率，以最大限度地減少最終產(chǎn)品內(nèi)的任何熱限制，同時(shí)向負(fù)載提供最大功率。

管理最終產(chǎn)品內(nèi)的電源通路也是一個(gè)極大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。在今天的電池供電型便攜式電子產(chǎn)品中，很多可以用諸如 5V 交流適配器、USB 端口或鋰離子/聚合物電池等低壓電源以及高壓電源供電。不過，自主管理這些不同的電源和電池之間的電源通路 （同時(shí)向負(fù)載供電） 造成了巨大的技術(shù)難題。傳統(tǒng)上，通過使用少量 MOSFET、運(yùn)算放大器和其它組件，設(shè)計(jì)師試圖以分立方式實(shí)現(xiàn)這一功能，但是面臨著熱插拔、大浪涌電流和負(fù)載上高電壓瞬態(tài)等難題，這可能引起大的系統(tǒng)可靠性問題。

除了電源通路管理，命令控制是另一個(gè)設(shè)計(jì)問題。極少有行業(yè)電源管理 IC 提供 I2C 控制功能，但是在很多新式便攜式產(chǎn)品中，支持遙測 （雙向通信和控制） 的需求在增加。迄今為止，這種功能一般都是與電源管理 IC 一起在外部實(shí)現(xiàn)。不過，這種趨勢正在改變，因?yàn)閷?shí)現(xiàn)方法正在得到簡化。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的主要挑戰(zhàn)可以總結(jié)如下：

? 在高溫和滿充電電壓情況下，最大限度地延長電池壽命和提高安全性

? 集成可編程性和遙測功能，以縮短設(shè)計(jì)和調(diào)試時(shí)間，并提高靈活性和電源管理系統(tǒng)的可見性

? 管理多個(gè)輸入電源和電池之間的電源通路，同時(shí)向負(fù)載供電

? 最大限度地提高從 USB 端口提供的電流 （可獲得 2.5W）

? 最大限度地減輕熱量問題，同時(shí)快速充電

? 最大限度地提高充電效率和延長電池使用壽命

? 最大限度地減小解決方案占板面積和高度

一個(gè)簡單的解決方案

滿足上述電池充電器 IC 設(shè)計(jì)限制的任何解決方案都必須是緊湊、單片 IC，并具有通過I2C 總線實(shí)現(xiàn)的自主電源管理功能以及多種回讀和可編程功能 （雙向通信和控制）。這樣的器件還需要保護(hù)和獲得鋰離子/聚合物電池的最高性能。

此外，電源通路管理器的主要目標(biāo)是，不管可獲得的是什么電源 （輸入電源或電池），都可以用其為系統(tǒng)供電，同時(shí)次要目標(biāo)是，在必要時(shí)給電池充電。在線性和開關(guān)拓?fù)渲卸伎赡芸吹脚c電源通路管理器集成的電池充電器，因?yàn)橐暰唧w充電要求的不同，這兩種拓?fù)涿恳环N都可能對系統(tǒng)有利。盡管在高效率傳送系統(tǒng)功率方面，線性電源通路架構(gòu)比電池饋送系統(tǒng)有優(yōu)勢，但是功率在線性電池充電器單元有損失，尤其是在電池電壓很低的情況時(shí) （由于輸入電壓和電池電壓之間大的壓差）。

開關(guān)模式電源通路系統(tǒng)的優(yōu)勢

基于開關(guān)模式的電源通路架構(gòu)通過一個(gè) USB 兼容的降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)生一個(gè)中間總線電壓，該降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器穩(wěn)定在比電池電壓略高一點(diǎn)的電壓上，見圖 1。Linear公司將這種自適應(yīng)輸出控制形式稱為電池跟蹤 （Bat-Track）。這個(gè)穩(wěn)定的中間電壓剛好足夠高，以允許通過內(nèi)部線性充電器進(jìn)行恰當(dāng)充電。不過，通過以這種方式跟蹤電池的電壓，最大限度地減少了損失在線性電池充電器中的功率，從而減少了熱量，并確保最大限度地增大提供給負(fù)載的功率。這種開關(guān)架構(gòu)具有平均輸入電流限制，最大限度地提高了充分利用可從 USB 電源獲得 2.5W 功率的能力。一個(gè)可選外部 PFET 降低了電池和負(fù)載之間的理想二極管阻抗，從而進(jìn)一步減少了熱量。這種架構(gòu)對于具有大容量 （》1.5Ahr） 電池的系統(tǒng)來說是必需的。

圖1 簡化的開關(guān)電源通路電路

高效率充電與完全 I2C 控制相結(jié)合

LTC4099 是一個(gè) I2C 自主控制的高效率電源管理器、鋰離子/聚合物電池充電器，用于便攜式 USB 供電設(shè)備，例如媒體播放器、數(shù)碼相機(jī)、個(gè)人導(dǎo)航設(shè)備、智能電話、以及工業(yè)和醫(yī)療用手持式設(shè)備。LTC4099 的開關(guān)電源通路拓?fù)錈o縫地管理交流適配器或 USB 端口和設(shè)備電池之間的電源通路，同時(shí)優(yōu)先向系統(tǒng)負(fù)載供電。對于汽車、Firewire 或其它高壓應(yīng)用而言，LTC4099 提供對一個(gè)伴隨開關(guān)穩(wěn)壓器的電池跟蹤控制，從而最大限度地提高電池充電器效率，并降低功耗。

LTC4099 提供很多其它功能。它用一個(gè)過壓保護(hù) （OVP） 電路防止偶然加在 USB 輸入上的高壓引起的損壞 ——用一個(gè)外部 NFET/電阻器組合提供高達(dá) 66V 的保護(hù)，見圖 2。另外，LTC4099 的“即時(shí)接通”工作確保加電后系統(tǒng)負(fù)載供電。

圖2 LTC4099 的簡化方框圖

該器件的理想二極管控制器可用來驅(qū)動一個(gè)可選 PFET 的柵極，從而將負(fù)載和電池之間的阻抗降至 30mΩ 或更低。

完全 I2C 控制

LTC4099 具有相當(dāng)高的內(nèi)置可調(diào)節(jié)性，以便通過一個(gè)簡單的兩線 I2C 端口控制和監(jiān)視功率值和狀態(tài)信息。

可通過 I2C 編程設(shè)定的參數(shù) （能夠激活）：

? 平均輸入電流限制

? 充電電流

? 電池浮置電壓：4.1V 或 4.2V

? 充電終止定時(shí)器：1 至 8 小時(shí)，以 1 小時(shí)為增量

? 充電終止指示電流

? 充電器禁止/重啟

? 電池查驗(yàn)及調(diào)理電路啟動

? 熱調(diào)節(jié)設(shè)定點(diǎn)：+85℃或 +105℃

? 暫停 LDO 輸入電流：500μA 或 2.5mA

通過 I2C 提供的指示/回讀遙測參數(shù)：

? USB 電源存在

? 交流電源存在

? 壞電池 （預(yù)充電門限）

? 熱調(diào)節(jié)中的充電器

? UVLO

? 充電器狀態(tài) （充電器 OFF、恒定電流）

? 滿容量充電 （C/x）

? 熱敏電阻狀態(tài) （溫度故障、電池太熱、電池太涼、溫度過高）

快速和高效率充電

LTC4099 的全功能單節(jié)鋰離子/聚合物電池充電器允許充電電流超過從 USB 端口吸取的電流，同時(shí)符合 USB 負(fù)載規(guī)范。就快速和高效率充電而言，該 IC 的開關(guān)輸入級可以將從 USB 端口獲得的 2.5W 功率全部轉(zhuǎn)換成電流，從而可以從一個(gè) 500mA 限制的 USB 端口實(shí)現(xiàn)600mA 的充電電流或 700mA 的系統(tǒng)負(fù)載電流，見圖 3。用交流適配器供電時(shí)，可獲得1.5A 的充電電流。就改進(jìn)安全裕度而言，可選用一個(gè)集成的過熱電池查驗(yàn)及調(diào)理電路來降低電池電壓，以防高電池溫度和高電池電壓同時(shí)出現(xiàn)。

圖3 功耗比較

電池查驗(yàn)及調(diào)理電路

鋰離子/聚合物電池如果存放在高溫環(huán)境并完全充電，那么有效壽命會縮短。當(dāng)電池達(dá)到熱敏電阻測量的某個(gè)溫度時(shí)，LTC4099 內(nèi)的電池調(diào)理器電路就通過釋放一些電池能量，將電池電壓降至一個(gè)安全水平，以此來保護(hù)電池免受損壞。電池查驗(yàn)器可以通過 I2C 通道啟動或禁止 （默認(rèn)）。熱敏電阻測量電路運(yùn)用一種采樣方法來實(shí)現(xiàn)超低功耗，以便可以啟動電池查驗(yàn)器功能，而不會明顯地增大電池放電電流。通過 I2C 端口啟動時(shí)，無論是否可獲得外部電源，電池查驗(yàn)器都工作，而且不受充電器狀態(tài)影響。

結(jié)論

電池供電型產(chǎn)品的設(shè)計(jì)師受到以下需求的挑戰(zhàn)：輸入電源便利性和高效率數(shù)據(jù)傳送以及快速充電、低功耗和 USB 兼容性，諸如高壓和高溫同時(shí)出現(xiàn)等情況可能對電池造成有害影響。同時(shí)，要求設(shè)計(jì)方案竭盡所能節(jié)省電路板空間、降低制造成本并提高產(chǎn)品可靠性，而性能良好的開關(guān)模式電源通路管理器 IC 將極大簡化產(chǎn)品設(shè)計(jì)師的工作，實(shí)現(xiàn)最佳方案。