布景常识
许多由电池供电的设备一般需求各式各样的充电电源、电池化学组成、电压和电流。例如，跟着合适一切类型电池化学组成的新式大电池组呈现，功用丰厚的高端消费型、医疗、工业和轿车电池充电器电路都需求更高电压和电流。此外，支撑宽功率规模的太阳能电池板也用于为各种选用可充电密封铅酸(SLA)电池和锂电池的立异体系供电。例如人行道信号灯、便携式扬声器体系、垃圾压实机，乃至海上浮标灯。此外，太阳能运用中的一些铅酸(LA)电池是深循环电池，除了深度放电之外，还能长期重复充电。深海浮标便是一个很好的实例，要求具有10年运用寿命。另一个示例是离网型(即与电力公司断开衔接)可再生能源体系(如太阳能或风能发电)，因为难以挨近维护，这些体系有必要耐久运转。
即便在非太阳能运用领域，最近的商场趋势也标明人们对高容量SLA电池从头燃起了爱好。从本钱/功率输出的视点来看，轿车或发动运用SLA电池的价格并不高，且能够在短时刻内供给高脉冲电流，是轿车和其他轿车发动器运用的抱负挑选。嵌入式轿车运用的输入电压高于30
V，有的乃至更高。考虑一下具有防盗震慑效果的GPS定位体系;能够将典型的12 V输入降至2个串联锂离子电池(一般7.4
V)且需求供给高压维护的线性充电器，都具有运用价值。深循环铅酸电池是另一项深受工业运用欢迎的技能。其电池板比轿车电池更厚，规划放电量能够低至总容量的20%。一般用于需求长期接连供电的场合，如叉车和高尔夫球车。可是，与锂离子电池相同，铅酸电池对过度充电很灵敏，所以在充电过程中有必要慎重处理。
针对很多输入电压、充电电压和充电电流组合需求，只要一小部分可选用依据电流集成电路(IC)的处理方案。其他更杂乱的组合和拓扑，一般选用的集成电路和分立式组件组合，繁琐负担。直到2011年，ADI公司运用其颇受欢迎的双芯片充电处理方案化解了这一商场难题，这种情况才得以改动。该处理方案由LTC4000电池充电操控器IC以及配套的外部补偿兼容型dc-dc转换器组成。
开关与线性充电器
传统线性拓扑电池充电器IC常常因其紧凑的尺度、简略和低本钱而受到重视。可是，这些线性充电器存在一些缺陷，包含输入和电池电压规模有限、电流消耗量相对更高、功耗过高、充电端电极算法有限，以及相对功率更低(功率
~ [VOUT/VIN] ×
100%)。另一方面，开关形式电池充电器也因其灵敏的拓扑结构，多化学充电、高充电功率(发生的热量极低，支撑快速充电)、宽作业电压规模而受欢迎。可是，开关充电器也存在一些缺陷，包含：本钱相对较高，依据电感的规划更为杂乱，可能会发生噪声，处理方案尺度较大。依据上述原因，现代铅酸、无线电源、能量搜集、太阳能充电、长途传感器和嵌入式轿车运用一般运用高压线性电池充电器供电。可是，现在有时机取得没有这些缺陷的更现代化的开关形式充电器。
简略的降压电池充电器
规划人员规划充电处理方案时会面对一些严峻应战，包含很多输入源和很多可用电池、充电电池的高容量以及高输入电压。
输入源的规模广泛且十分多变，但触及电池充电体系，遇到的更杂乱的问题包含：电压规模为5 V至19 V乃至更高的大功率壁式适配器、24
V整流AC体系、高阻抗太阳能电池板、轿车和重型货车/Humvee电池。因而，能够在这些体系中运用的电池化学组合数量随之进一步添加，如锂基(锂离子、锂聚合物、磷酸铁锂(LiFePO4))和铅酸基，从而使规划面对更杂乱的局势。
因为IC规划的杂乱性，现有的电池充电IC首要局限于选用降压型(或降压)或更杂乱的SEPIC拓扑。在这个组合中添加太阳能充电功用，会带来各种其他难题。最终，现有的一些处理方案为多种电池化学组成充电，一些选用板载停止办法。可是，到现在为止，还没有一种单一的IC充电器能够供给处理这些问题所需的一切功用特性。
功用多样的新款紧凑型充电器
能够处理上述问题的降压型IC充电处理方案需求具有以下大部分特性：
宽输入电压规模
宽输出电压规模，用于满意多个电池堆叠需求
灵敏性—能够为多种电池化学组成充电
带有板载充电停止功用算法的简略自主操作(无需微处理器)
高充电电流，能够为大型高容量电池快速充电
太阳能充电功用
选用先进封装以进步散热功用和空间功率
ADI在几年前开宣布颇受欢迎的LTC4000电池充电操控器IC(与外部补偿dc-dc转换器合作运用，构成功用强壮且灵敏的2芯片电池充电处理方案)之后，极大地简化了现有的十分杂乱和费事的处理方案。为了完成PowerPath™操控、升压/降压功用，以及输入电流约束，处理方案包含了一个降压-升压dc-dc开关稳压器或一个降压开关稳压器充电器操控器(与一个前端增压操控器配对)、一个微处理器，以及多个IC和分立组件。首要缺陷包含：操作电压规模有限、不具有太阳能电池板输入功用、无法为一切电池化学组成充电，以及没有板载充电停止功用。快速开展到现在，现在已经有一些更简略、更紧凑的单片式处理方案可用于处理这些问题。ADI公司供给的LTC4162和LTC4015降压电池充电器均供给单芯片降压充电处理方案，支撑多种充电电流等级和完好的功用组。
LTC4162电池充电器
LTC4162是一款高度集成、高电压多化学组成同步单片降压电池充电器和PowerPath办理器，具有板载遥测功用和可选的最大功率点盯梢(MPPT)特性。它能高效地传输各种输入源(如壁式适配器、背板和太阳能电池板)电力，为锂离子/聚合物、LiFePO4或铅酸电池组充电，一同依然为体系负载供给高达35v的电力。该设备供给先进的体系监控和PowerPath办理，以及电池情况监测。尽管运用LTC4162最先进的功用需求选用主机微操控器，仍可挑选性地运用I2C端口。该产品的首要充电功用能够运用引脚绑定装备和编程电阻进行调整。该设备供给±5%的充电电流调理(高达3.2
A)、±0.75%的充电电压调理，支撑4.5 V至35
V的输入电压规模。适用于便携式医疗器械、USB电源传输(USB-C)设备、军事设备、工业手持设备和加固笔记本/平板电脑等。
图1.LTC4162-L的典型运用电路。
LTC4162(见图1)包含一个准确的16位模数转换器(ADC)，能够依照需求接连监控许多体系参数，包含输入电压、输入电流、电池电压、电池电流、输出电压、电池温度、模具温度和电池串联电阻(BSR)。一切体系参数都能够经过一个双线I2C接口来监控，而可编程和可屏蔽的警报能够保证只要感爱好的信息才会导致中止。该设备的主动最大功率点盯梢算法在大局规模内扫描输入低压操控回路，并挑选一个作业点，以最大极限地从太阳能电池板和其他电阻源提取电力。此外，其内置的PowerPath拓扑去耦电池中的输出电压，使便携式产品能够在极低电池电压条件下运用充电电源时即时发动。LTC4162的板载充电装备针对锂离子/聚合物、LiFePO4和铅酸等多种电池化学组成施行了优化。充电电压和充电电流都能够依据电池温度主动调整，以契合JEITA攻略的要求，或许能够自界说。关于铅酸电池，接连温度曲线会依据环境温度主动调整电池电压。关于一切化学组成，能够选用可选的模具衔接温度调理体系，避免在受限空间或存在热问题的运用中呈现过热。锂离子充电能效功用参见图2。
最终，LTC4162选用28引脚4 mm × 5 mm
QFN封装，装备暴露金属焊盘，散热功用超卓。E级和I级设备能够在–40°C至+125°C规模内作业。
图2.选用不同数量电池时，锂离子充电功率与输入电压的联系。
图3.12 VIN、8 A双锂离子电池降压型电池充电器电路。
需求更高电流时怎么办?
LTC4015也是一款高度集成的高电压、多化学组成、同步降压型电池充电器，供给板载遥测功用。可是，它选用了操控器架构与离线功率FET，能够完成更高的充电电流才能(高达20
A或更高，详细取决于所选的外部组件)。该设备能经过输入源(壁式适配器、太阳能电池板等)向锂离子/聚合物、LiFePO4或铅酸电池高效供电。它供给先进的体系监测和办理功用，包含电池库仑计数和情况监测。尽管运用LTC4015最先进的功用需求选用主机微操控器，仍可挑选性地运用I2C端口。该产品的首要充电功用能够运用引脚绑定装备和编程电阻进行调整。
LTC4015供给±2%的充电电流调理(高达20 A)、±1.25%的充电电压调理，支撑4.5 V至35
V的输入电压规模。适用于便携式医疗仪器、军事设备、电池备份运用、工业手持设备、工业照明、加固式笔记本/平板电脑、长途动力通讯和遥测体系。
LTC4015还包含一个准确的14位模数转换器(ADC)，以及一个高精度库仑计数器。ADC接连监测体系的许多参数，包含输入电压、输入电流、电池电压、电池电流，并依据指令陈述电池温度和电池串联电阻(BSR)。经过监测这些参数，LTC4015能够陈述电池的作业状况和充电状况。一切的体系参数都能够经过一个双线I2C接口来监控，而可编程和可屏蔽的警报能够保证只要感爱好的信息才会导致中止。LTC4015的板载充电装备针对锂离子/聚合物、LiFePO4和铅酸等多种电池化学组成进行了优化。经过装备引脚，用户能够在几种为电池化学组成预先界说的充电算法，以及几种能够经过I2C调整参数的算法之间进行挑选。充电电压和充电电流都能够依据电池温度主动调整，以契合JEITA攻略，或许自界说设置的要求。铅酸充电能效功用参见图4。LTC4015选用5
mm × 7 mm QFN封装，装备暴露金属焊盘，散热功用超卓。
图4.LTC4015的铅酸充电功率。
节约空间、灵敏、具有更高的功率等级
因为LTC4162是一个带有集成功率MOSFET的单片器材，在平等功率等级下(例如，3
A)，它比LTC4015节约多达50%的PCB面积。因为它们的功用类似，当输出电流规模为>3.2 A到20
A，或高于此规模时，应该运用LTC4015。业界同类IC电池充电器处理方案都不能供给平等集成水平，也不能发生相同的功率水平。这些挨近充电电流(2 A到3
A)的电池处理方案只适用于单一电池化学组成(锂离子)，或许电池充电电压受到约束(最大13
V)，因而不能供给与LTC4162或LTC4015平等的功率水平或灵敏性。此外，当您考虑完成最近的竞赛单片式电池充电器处理方案需求用到的外部组件数量时，LTC4162能够节约多达40%的PCB空间，因而更具吸引力。
大阳能充电
在最大功率点(MPP)操作太阳能电池板有许多办法。最简略的办法之一是经过二极管将电池衔接到太阳能电池板上。这种技能依赖于将电池板的最大输出电压与电池相对狭隘的电压规模匹配。当可用功率十分低(大约低于几十毫瓦)时，这可能是最好的办法。可是，功率水平不可能一向很低。因而，LTC4162和LTC4015选用了MPPT技能，这种技能能够依据入射光的改变来确认太阳能电池板的最大功率电压(MPV)。当电路板电流在20年或更长的动态时刻规模内发生改变时，这个电压能够从12
V急剧改变到18
V。MPPT电路算法查找并盯梢面板电压值，为电池供给最大的充电电流。MPPT功用不只能够接连盯梢最大功率点，还能够在功率曲线上挑选正确的最大功率点，从而在功率曲线上呈现多个峰值时，在部分遮阳条件下添加电路板取得的功率。在弱光状况下，即便没有满足的光线让MPPT正常作业，低功率形式也能让充电器供给小充电电流。
定论
ADI公司功用完全而强壮的全新电池充电和PowerPath办理器集成电路LTC4162和LTC4015，简化了繁复的高压和高电流充电体系。这些设备能够高效办理输入源(如壁式适配器、背板、太阳能电池板等)和各种电池化学组成(包含锂离子/聚合物、LiFePO4和SLA)之间的电源分配。其简略的处理方案和紧凑的外形使它们能够在前沿运用中完成高功用，而曩昔只要依据更杂乱、更陈旧的开关调理器的拓扑(如SEPIC)才是仅有的挑选。规划中高功率电池充电器电路时，能够极大简化规划师的作业。
作者简介
Steve Knoth [steve.knoth@analog.com]是ADI公司Power by
Linear™部分的高档产品营销工程师。他担任一切电源办理集成电路(PMIC)产品、低压差(LDO)稳压器、电池充电器、电荷泵、依据电荷泵的发光二极管驱动器、超级电容器充电器、低压单片开关稳压器和抱负二极管器材。Steve从1990年起在Micro
Power Systems、ADI公司和Micrel
Semiconductor担任过多种营销和产品工程职位，之后于2004年参加ADI公司(曾经的凌力尔特公司)。他于1988年取得圣何塞州立大学电气工程学士学位，并于1995年取得该大学物理学硕士学位。2000年，Steve还取得了凤凰城大学技能办理硕士学位(MBA)。除了与孩子们一同享用美好时光之外，Steve还喜爱玩弹球/街机游戏或肌肉车，以及购买、出售、保藏古玩玩具和电影/体育/轿车纪念品。
Steve Knoth
