作者：ADI公司 Steve Knoth
背景知識
許多由電池供電的設備通常需要各種各樣的充電電源、電池化學組成、電壓和電流。例如，隨著適合所有類型電池化學組成的新型大電池組出現，功能豐富的高端消費型、醫療、工業和汽車電池充電器電路都需要更高電壓和電流。此外，支持寬功率范圍的太陽能電池板也用于為各種采用可充電密封鉛酸(SLA)電池和鋰電池的創新系統供電。例如人行道信號燈、便攜式揚聲器系統、垃圾壓實機，甚至海上浮標燈。此外，太陽能應用中的一些鉛酸(LA)電池是深循環電池，除了深度放電之外，還能長時間重復充電。深海浮標就是一個很好的實例，要求具備10年使用壽命。另一個示例是離網型（即與電力公司斷開連接）可再生能源系統（如太陽能或風能發電），由于難以靠近維護，這些系統必須持久運行。
即使在非太陽能應用領域，最近的市場趨勢也表明人們對高容量SLA電池重新燃起了興趣。從成本/功率輸出的角度來看，汽車或啟動應用SLA電池的價格并不高，且可以在短時間內提供高脈沖電流，是汽車和其他汽車啟動器應用的理想選擇。嵌入式汽車應用的輸入電壓高于30 V，有的甚至更高。考慮一下具有防盜威懾作用的GPS定位系統；能夠將典型的12 V輸入降至2個串聯鋰離子電池（一般7.4 V）且需要提供高壓保護的線性充電器，都具有應用價值。深循環鉛酸電池是另一項深受工業應用歡迎的技術。其電池板比汽車電池更厚，設計放電量可以低至總容量的20%。通常用于需要長時間連續供電的場合，如叉車和高爾夫球車。然而，與鋰離子電池一樣，鉛酸電池對過度充電很敏感，所以在充電過程中必須慎重處理。
針對眾多輸入電壓、充電電壓和充電電流組合需求，只有一小部分可采用基于電流集成電路(IC)的解決方案。其余更復雜的組合和拓撲，通常采用的集成電路和分立式組件組合，繁瑣累贅。直到2011年，ADI公司利用其頗受歡迎的雙芯片充電解決方案化解了這一市場難題，這種情況才得以改變。該解決方案由LTC4000電池充電控制器IC以及配套的外部補償兼容型dc-dc轉換器組成。
開關與線性充電器
傳統線性拓撲電池充電器IC常常因其緊湊的尺寸、簡單和低成本而受到重視。但是，這些線性充電器存在一些缺點，包括輸入和電池電壓范圍有限、電流消耗量相對更高、功耗過高、充電端電極算法有限，以及相對效率更低（效率 ~ [VOUT/VIN] × 100%）。另一方面，開關模式電池充電器也因其靈活的拓撲結構，多化學充電、高充電效率（產生的熱量極低，支持快速充電）、寬工作電壓范圍而受歡迎。但是，開關充電器也存在一些缺點，包括：成本相對較高，基于電感的設計更為復雜，可能會產生噪聲，解決方案尺寸較大。基于上述原因，現代鉛酸、無線電源、能量收集、太陽能充電、遠程傳感器和嵌入式汽車應用通常使用高壓線性電池充電器供電。但是，現在有機會獲得沒有這些缺點的更現代化的開關模式充電器。
簡單的降壓電池充電器
設計人員設計充電解決方案時會面臨一些嚴峻挑戰，包括眾多輸入源和眾多可用電池、充電電池的高容量以及高輸入電壓。
輸入源的范圍廣泛且非常多變，但涉及電池充電系統，遇到的更復雜的問題包括：電壓范圍為5 V至19 V甚至更高的大功率壁式適配器、24 V整流AC系統、高阻抗太陽能電池板、汽車和重型卡車/Humvee電池。因此，能夠在這些系統中使用的電池化學組合數量隨之進一步增加，如鋰基（鋰離子、鋰聚合物、磷酸鐵鋰(LiFePO4)）和鉛酸基，從而使設計面臨更復雜的局面。
由于IC設計的復雜性，現有的電池充電IC主要局限于采用降壓型（或降壓）或更復雜的SEPIC拓撲。在這個組合中添加太陽能充電功能，會帶來各種其他難題。最后，現有的一些解決方案為多種電池化學組成充電，一些采用板載終止方法。但是，到目前為止，還沒有一種單一的IC充電器能夠提供解決這些問題所需的所有性能特性。
功能多樣的新款緊湊型充電器
能夠解決上述問題的降壓型IC充電解決方案需要具備以下大部分特性：
- 寬輸入電壓范圍
- 寬輸出電壓范圍，用于滿足多個電池堆疊需求
- 靈活性—能夠為多種電池化學組成充電
- 帶有板載充電終止功能算法的簡單自主操作（無需微處理器）
- 高充電電流，能夠為大型高容量電池快速充電
- 太陽能充電功能
- 采用先進封裝以提高散熱性能和空間效率
ADI在幾年前開發出頗受歡迎的LTC4000電池充電控制器IC（與外部補償dc-dc轉換器配合使用，構成功能強大且靈活的2芯片電池充電解決方案）之后，極大地簡化了現有的非常復雜和麻煩的解決方案。為了實現PowerPath™控制、升壓/降壓功能，以及輸入電流限制，解決方案包含了一個降壓-升壓dc-dc開關穩壓器或一個降壓開關穩壓器充電器控制器（與一個前端增壓控制器配對）、一個微處理器，以及多個IC和分立組件。主要缺點包括：操作電壓范圍有限、不具備太陽能電池板輸入功能、無法為所有電池化學組成充電，以及沒有板載充電終止功能。快速發展到現在，目前已經有一些更簡單、更緊湊的單片式解決方案可用于解決這些問題。ADI公司提供的LTC4162和LTC4015降壓電池充電器均提供單芯片降壓充電解決方案，支持多種充電電流等級和完整的功能組。
LTC4162電池充電器
LTC4162是一款高度集成、高電壓多化學組成同步單片降壓電池充電器和PowerPath管理器，具有板載遙測功能和可選的最大功率點跟蹤(MPPT)特性。它能高效地傳輸各種輸入源（如壁式適配器、背板和太陽能電池板）電力，為鋰離子/聚合物、LiFePO4或鉛酸電池組充電，同時仍然為系統負載提供高達35v的電力。該設備提供先進的系統監控和PowerPath管理，以及電池狀況監測。雖然使用LTC4162最先進的功能需要采用主機微控制器，仍可選擇性地使用I2C端口。該產品的主要充電功能可以使用引腳綁定配置和編程電阻進行調整。該設備提供±5%的充電電流調節（高達3.2 A）、±0.75%的充電電壓調節，支持4.5 V至35 V的輸入電壓范圍。適用于便攜式醫療器械、USB電源傳輸(USB-C)設備、軍事設備、工業手持設備和加固筆記本/平板電腦等。
圖1.LTC4162-L的典型應用電路。
LTC4162（見圖1）包含一個精確的16位模數轉換器(ADC)，可以按照需求連續監控許多系統參數，包括輸入電壓、輸入電流、電池電壓、電池電流、輸出電壓、電池溫度、模具溫度和電池串聯電阻(BSR)。所有系統參數都可以通過一個雙線I2C接口來監控，而可編程和可屏蔽的警報可以確保只有感興趣的信息才會導致中斷。該設備的主動最大功率點跟蹤算法在全局范圍內掃描輸入低壓控制回路，并選擇一個工作點，以最大限度地從太陽能電池板和其他電阻源提取電力。此外，其內置的PowerPath拓撲去耦電池中的輸出電壓，使便攜式產品能夠在極低電池電壓條件下使用充電電源時即時啟動。LTC4162的板載充電配置針對鋰離子/聚合物、LiFePO4和鉛酸等多種電池化學組成實施了優化。充電電壓和充電電流都可以根據電池溫度自動調整，以符合JEITA指南的要求，或者可以自定義。對于鉛酸電池，連續溫度曲線會根據環境溫度自動調整電池電壓。對于所有化學組成，可以采用可選的模具連接溫度調節系統，防止在受限空間或存在熱問題的應用中出現過熱。鋰離子充電能效性能參見圖2。
最后，LTC4162采用28引腳4 mm × 5 mm QFN封裝，配備裸露金屬焊盤，散熱性能出色。E級和I級設備能夠在–40°C至+125°C范圍內工作。
圖2.采用不同數量電池時，鋰離子充電效率與輸入電壓的關系。
圖3.12 VIN、8 A雙鋰離子電池降壓型電池充電器電路。
需要更高電流時怎么辦？
LTC4015也是一款高度集成的高電壓、多化學組成、同步降壓型電池充電器，提供板載遙測功能。但是，它采用了控制器架構與離線功率FET，可以實現更高的充電電流能力（高達20 A或更高，具體取決于所選的外部組件）。該設備能通過輸入源（壁式適配器、太陽能電池板等）向鋰離子/聚合物、LiFePO4或鉛酸電池高效供電。它提供先進的系統監測和管理功能，包括電池庫侖計數和狀況監測。雖然使用LTC4015最先進的功能需要采用主機微控制器，仍可選擇性地使用I2C端口。該產品的主要充電功能可以使用引腳綁定配置和編程電阻進行調整。
LTC4015提供±2%的充電電流調節（高達20 A）、±1.25%的充電電壓調節，支持4.5 V至35 V的輸入電壓范圍。適用于便攜式醫療儀器、軍事設備、電池備份應用、工業手持設備、工業照明、加固式筆記本/平板電腦、遠程動力通信和遙測系統。
LTC4015還包含一個精確的14位模數轉換器(ADC)，以及一個高精度庫侖計數器。ADC連續監測系統的許多參數，包括輸入電壓、輸入電流、電池電壓、電池電流，并根據命令報告電池溫度和電池串聯電阻(BSR)。通過監測這些參數，LTC4015可以報告電池的工作狀態和充電狀態。所有的系統參數都可以通過一個雙線I2C接口來監控，而可編程和可屏蔽的警報可以確保只有感興趣的信息才會導致中斷。LTC4015的板載充電配置針對鋰離子/聚合物、LiFePO4和鉛酸等多種電池化學組成進行了優化。通過配置引腳，用戶可以在幾種為電池化學組成預先定義的充電算法，以及幾種可以通過I2C調整參數的算法之間進行選擇。充電電壓和充電電流都可以根據電池溫度自動調整，以符合JEITA指南，或者自定義設置的要求。鉛酸充電能效性能參見圖4。LTC4015采用5 mm × 7 mm QFN封裝，配備裸露金屬焊盤，散熱性能出色。
圖4.LTC4015的鉛酸充電效率。
節省空間、靈活、具備更高的功率級別
由于LTC4162是一個帶有集成功率MOSFET的單片器件，在同等功率等級下（例如，3 A），它比LTC4015節省多達50%的PCB面積。由于它們的功能相似，當輸出電流范圍為>3.2 A到20 A，或高于此范圍時，應該使用LTC4015。業內同類IC電池充電器解決方案都不能提供同等集成水平，也不能產生相同的功率水平。這些接近充電電流（2 A到3 A）的電池解決方案只適用于單一電池化學組成（鋰離子），或者電池充電電壓受到限制（最大13 V），因此不能提供與LTC4162或LTC4015同等的功率水平或靈活性。此外，當您考慮實現最近的競爭單片式電池充電器解決方案需要用到的外部組件數量時，LTC4162能夠節省多達40%的PCB空間，因此更具吸引力。
大陽能充電
在最大功率點(MPP)操作太陽能電池板有許多方法。最簡單的方法之一是通過二極管將電池連接到太陽能電池板上。這種技術依賴于將電池板的最大輸出電壓與電池相對狹窄的電壓范圍匹配。當可用功率非常低（大約低于幾十毫瓦）時，這可能是最好的方法。然而，功率水平不可能一直很低。因此，LTC4162和LTC4015采用了MPPT技術，這種技術可以根據入射光的變化來確定太陽能電池板的最大功率電壓(MPV)。當電路板電流在20年或更長的動態時間范圍內發生變化時，這個電壓可以從12 V急劇變化到18 V。MPPT電路算法查找并跟蹤面板電壓值，為電池提供最大的充電電流。MPPT功能不僅可以連續跟蹤最大功率點，還可以在功率曲線上選擇正確的最大功率點，從而在功率曲線上出現多個峰值時，在部分遮陽條件下增加電路板獲得的功率。在弱光狀態下，即使沒有足夠的光線讓MPPT正常工作，低功率模式也能讓充電器提供小充電電流。
結論
ADI公司功能齊全而強大的全新電池充電和PowerPath管理器集成電路LTC4162和LTC4015，簡化了繁復的高壓和高電流充電系統。這些設備能夠高效管理輸入源（如壁式適配器、背板、太陽能電池板等）和各種電池化學組成（包括鋰離子/聚合物、LiFePO4和SLA）之間的電源分配。其簡單的解決方案和緊湊的外形使它們能夠在前沿應用中實現高性能，而過去只有基于更復雜、更古老的開關調節器的拓撲（如SEPIC）才是唯一的選擇。設計中高功率電池充電器電路時，可以極大簡化設計師的工作。
