使用開關電源路徑管理器加快鋰離子電池充電速度并減少熱量

手持產品設計師競相 打包盡可能多的“酷”功能 可以進入更小的設備。大 明亮的彩色顯示屏，無線網絡，無線網絡， 藍牙、GPS、相機、手機、 觸摸屏、電影播放器、音樂 播放器和收音機只是其中的一小部分 當今電池的常見功能 有源的便攜式設備。一 打包這么多的大問題 功能進入如此小的空間是 “酷”產品實際上必須 使用時保持涼爽。最大限度減少耗散 熱量是手持設備的首要任務， 一個重要的熱源是 充電器。

手持設備的一個組件具有 這些年來變化不大—— 鋰離子電池。雖然容量 的今天電池增加了 幾百毫安小時起 到幾安培小時以適應 不斷擴展的功能 一套現(xiàn)代便攜式產品， 基本的鋰離子電池技術具有 保持不變。為什么鋰離子 活了這么久？無與倫比的能量 密度（質量和體積）， 高電壓、低自放電、寬 可用溫度范圍，無內存 效果，無細胞逆轉，無細胞平衡， 和低環(huán)境影響 使鋰離子電池成為高性能便攜式電池的首選 產品。

為今天的大電池充電， 然而，這不是一件小事。為了 以合理的金額收費 時間，他們應該在 與其容量相稱的價格 并具有特定的算法。例如 為 1Ah 電池充滿電 大約一個小時需要一個 充電電流的安培。如果 USB 供電 需要充電，然后只有500mA 可用的電流，使 充電時間為兩小時。

高電荷的另一個問題 電流是充電過程中損失的額外熱量。自充電以來 這些設備的電源通常來自 從 5V 電源，例如 USB 端口 或5V墻上適配器，功率損耗可 重要。假設健康的鋰離子電池 電池花費大量時間 在3.7V的“快樂電壓”下 充電，然后通過以下方式提高充電效率 線性充電元件充其量只能 為 3.7V/5V 或 74%。當電池 電壓小于3.7V，損耗 更糟糕的是。即使在最大 浮動電壓為4.2V，其中電池 花費約1/3的費用 時間，充電效率再好不過了 超過84%。

使用 1Ah 電池充電 “1C”速率，我們可以預期約1.3W 提供 3.7W 時會損失功率 到電池最長的部分 充電周期。但請注意， 輸送到電池的能量 不會導致任何明顯的溫度 隨著電池的存儲而上升 未來使用的能量。這意味著 主要的熱源 在充電過程中由 充電器本身?？紤]到這一點，在 給定的功率水平是有意義的 移至開關電池充電器 為了提高充電效率，更少 充電器產生的熱量和減少 充電時間。

LTC4088 和 LTC4098 都是凌力爾特的單節(jié)鋰離子電池充電器示例 不僅提供高效率 開關電池充電器，但 還包括 PowerPath 技術。 PowerPath 控制是一種技術 使用第三種或中間的 節(jié)點允許即時啟動操作， 為系統(tǒng)供電 當電池電壓低于 系統(tǒng)截止。只有像這樣的產品 LTC4088 和 LTC4098 結合一個階躍 下行直流/直流開關穩(wěn)壓器 獨特的線性電池充電器 確保高效電源的方式 交付到系統(tǒng)負載和 電池。在我們深入研究這些之前 零件，讓我們來看看它是怎么回事 以前做過。

圖1.通過使用切換 PowerPath 管理器/電池充電器，縮短電池充電時間并保持手持設備冷卻。

老派：線性電源路徑

中間節(jié)點拓撲不是 新增功能。圖 2 顯示了一個示例 線性 PowerPath 拓撲。在此 架構，限流開關 從輸入連接器供電 外部負載和線性負載 充電器。線性電池 然后充電器從 電池的中間節(jié)點。

圖2.傳統(tǒng)線性 PowerPath 的框圖，它具有明顯的固有效率限制。

如果負載電流足夠遠 低于輸入電流限值允許 一些電流被引導到電池 充電，電壓在V外幾乎 等于輸入電源電壓，讓我們 比如說5V。在本例中，來自 V 的路徑在到 V外非常高效，因為那里 無顯著壓降 傳遞元素。但請注意， V之間的壓降外（~5V） 和 V.BAT（比如說3.5V）表示線性 充電器運行效率低下。因此 輸送到負載的電力高效到達 而電力輸送到 電池到達效率低下。

現(xiàn)在采取另一種情況，其中 負載電流超過輸入 電流限制設置。這里的輸入 電流限制控制接合和 中間節(jié)點的電壓，V外, 降至略低于電池電壓， 從而將電池作為 附加電流的來源。雖然 這是期望的行為，確保 負載電流優(yōu)先于充電 當前，請注意現(xiàn)在效率低下 在傳遞元素中，因為 確實存在較大的電壓差 在輸入引腳之間，同樣在 5V 時， 和輸出引腳，現(xiàn)在可以 約為3.5V。

從這些例子中我們可以看到 而線性 PowerPath 拓撲 執(zhí)行必要的 PowerPath 所有條件下的控制功能， 它有一些固有的低效率。 具體而言，使用線性 PowerPath 拓撲結構可能有電源 浪費在兩者中的一個或另一個 各種線性刀路元件下的各種 條件。在下一節(jié)中，我們將看到 交換 PowerPath 如何避免 線性 PowerPath 的缺陷。

新學校：高效率 帶開關電源路徑

圖 3 顯示了 線性 PowerPath，一種開關 PowerPath。這里是一個降壓直流/直流 轉換器提供來自 中間的輸入連接器 節(jié)點 V外.線性電池充電器是 從中間節(jié)點連接 到電池，如在 線性電源路徑。最大的不同 從線性 PowerPath 是路徑 從 V在到 V外保持相對 無論電壓如何，效率都很高 區(qū)別，因為它是開關， 而不是線性路徑。

圖3.開關電源路徑框圖。與線性 PowerPath 相比，開關 PowerPath 方案的最大優(yōu)勢在于，從 V 開始的路徑在到 V外無論 V 如何，都能保持相對較高的效率在/V.BAT率。

那么線性電池呢？ 充電路徑，總效率圖景的另一大部分？電壓 V 之間的下降外和電池 幾乎會抹去效率 開關穩(wěn)壓器的增益。 總效率仍然很高 LTC4088 和 LTC4098 因為 稱為蝙蝠軌道的功能?.跟 蝙蝠軌道，輸出電壓 開關穩(wěn)壓器編程為 跟蹤電池電壓加上一些 百毫伏差異。因為 輸出電壓從不顯著 高于電池電壓，很少 線性電池的功率永遠丟失 充電器。電池充電器調整元件 留下大部分電壓控制 對開關穩(wěn)壓器的職責和 存在只是為了控制充電電流， 浮動電壓和電池安全監(jiān)控 — 任務 它擅長的地方。

基于USB的 恒功率充電

如今，一個重要的功能 在許多便攜式產品中是 通過 USB 充電的便利性 港口。LTC4088 和 LTC4098 擁有獨特的控制系統(tǒng) 允許他們限制輸入電流 符合 USB 標準的功耗 應用，同時最大限度地提高功率 可用于負載和電池 充電。這兩個設備不僅 具有低功耗和高功率 USB 設置 100mA 和 500mA，但它們也支持更高功率的 1A 設置 墻上適配器應用。

對于大電池產品， USB 電流控制可能是限制 確定多少的因素 電力輸送到電池 充電。使用線性電源路徑 拓撲結構，輸入和輸出均為電流 有限 - 負載電流之和 和電池充電電流 不能超過輸入電流。在 在這種情況下，一個開關 PowerPath 具有 與線性相比具有顯著優(yōu)勢 PowerPath.在交換電源路徑中 拓撲 輸入仍然是最新的 有限，但這僅限制負載和充電器的可用功率。這 是一個重要的區(qū)別。圖4 示出了 LTC4088 如何 可通過線性 PowerPath 將充電電流增加多達 40% 設計。

圖4.輸入功率限制充電電流。

請注意，當 USB 電流 限制為500mA，有可能 充電電流將高于500mA 到高效率的開關 PowerPath 系統(tǒng)。因此，不僅 效率更高，產生熱量少， 但它也減少了充電時間。

輸入電流限制拓撲 的 LTC4088 和 LTC4098 提供 與使用的設備相比具有很大的優(yōu)勢 輸出電流控制拓撲 以保持 USB 合規(guī)性。這是 因為隨著電池電壓的升高 在整個充電周期中，有效 電池消耗的電量 也上升，假設恒定電流。 為了保持 USB 合規(guī)性 在輸出電流控制系統(tǒng)中 （假設效率完美）一 必須限制電池電量 電流到其功率限制值 最高的電池電壓。

例如，保持在 2.5W 以下 +5在? 500mA）的功率輸出 4.2V電池電壓，充電電流 不得超過595mA。這 電流限制過于保守 當電池電壓低時，說 3.4V，可以 提供 735mA 而不會違反 USB 規(guī)格。輸入電流限制 專為 USB 標準（例如 LTC4088 和 LTC4098）允許充電器使用 此附加可用電流。在 相反，輸出電流調節(jié) 專為 USB 設計的開關充電器 合規(guī)性必須編程為 將電池充電電流限制為 高壓外殼 （595mA），因此會妨礙 它在低電池電壓下。說 另一種方式，限制輸入電流 開關充電器始終提取為 來自輸入源的大量功率為 是允許的，而輸出電流 控制一個沒有。

即時啟動 （低電量系統(tǒng)啟動）

圖 5 顯示了瞬開即用功能 的交換電源路徑拓撲。 當電池電壓非常低時 并且系統(tǒng)負載不超過 可用的編程功率， 輸出電壓保持在 約3.6V。這可以防止 系統(tǒng)不必等待 電池電壓在出現(xiàn)之前 打開設備 - 令人沮喪 方案到最終用戶。

圖5.V外與蝙蝠。

這是擁有的主要原因 解耦輸出節(jié)點和電池 節(jié)點（即 3 端子拓撲）。 此功能可用于供電 系統(tǒng)處于低功耗模式。為 例如，它可能只是足夠的功率 啟動并向用戶指示 系統(tǒng)正在充電。

自動負載優(yōu)先級

輸送到系統(tǒng)的電流 在 V外，以及電池電量 電流，在 開關穩(wěn)壓器。如果這結合起來 負載不超過功率水平 由輸入電流限制編程 電路然后開關電源路徑 拓撲結構愉快地提供電荷和 負載電流無需擔心。如果 但是，總負載超過 可用電源，電池充電器 自動放棄部分或全部 其支持的力量份額 額外負載。也就是說，系統(tǒng)負載為 始終優(yōu)先考慮和電池充電 只是機會主義地執(zhí)行。 此算法提供不間斷 系統(tǒng)負載的電源。即使 僅系統(tǒng)負載就超過了功率 可從輸入限制電路獲得，輸入電流不超過 其編程限制。而是 電池充電器完全關閉 額外的功率來自 電池通過理想二極管。

當理想二極管接合時， 從電池到 輸出引腳約為180mΩ。 如果這對于應用程序來說足夠， 則無需外部組件 是需要的。如果電導率更高 但是，需要外部 MOSFET可用于補充 內部理想二極管。The LTC4088 和 LTC4098 都具有一個控制引腳 用于驅動選裝的閘門 外部晶體管。晶體管 30mΩ或更低的電阻 用于補充內在理想 二極管。

全功能電池充電器

LTC4088 和 LTC4098 兩者 包括一個功能齊全的電池充電器。 電池充電器功能 可編程充電電流，電池 通過壞細胞檢測進行預處理 和端接， CC-CV 充電， C/10 充電結束檢測，安全 定時器終止，自動充電 和熱敏電阻信號調理器 符合溫度要求的充電。

LTC4098 增強功能

LTC4098 具有一些特性： LTC4088 則不然。首先，它支持 控制外部的能力 高壓開關穩(wěn)壓器 從第二個輸入電源接收電源 這樣的汽車電池。它還 包括一個獨立的過壓 保護模塊可與外部 MOSFET 結合使用， 提供重要的輸入保護 低電壓 （USB/墻壁） 輸入。

高壓輸入控制器

LTC4098 的外部輸入控制 電路識別第二個輸入時 供應存在并優(yōu)先考慮 輸入，如果它和 USB/墻面輸入已通電 同時。此外， LTC4098 與一個編號的接口 凌力爾特高壓 降壓型開關穩(wěn)壓器 允許更高的電壓輸入，例如 作為汽車電池。使用 描述的蝙蝠跟蹤技術相同 以上為輔助輸入控制器 控制高壓穩(wěn)壓器 在 V 處產生電壓外那 軌道就在電池上方。再 這種技術導致高充電 即使從 相當高的電壓。

過壓保護

LTC4098 包括一個過壓 可使用的保護控制器 保護低壓 USB/墻壁 來自無意應用程序的輸入 高壓或故障 墻上適配器。該電路控制 外部高壓的柵極 N 型場效應管。通過使用外部 用于高壓隔離的晶體管， 保護級別不限于 LTC4098 的工藝參數(shù)。 而是外部的規(guī)格 晶體管確定電平 提供保護。

結論

LTC4088 和 LTC4098 代表 電源管理的新范例 和電池充電。兩者都優(yōu)化 通過結合恒定數(shù)提供動力 輸入功率限制與高 效率開關穩(wěn)壓器和 蝙蝠軌道電池充電。其他 優(yōu)點包括即時啟動系統(tǒng) 啟動，自動負載優(yōu)先級 以及無與倫比的充電效率。 LTC4098 更進一步 帶輔助輸入控制器，用于 更高的輸入電壓（如汽車 電池）和過壓保護 控制器。

審核編輯：郭婷