LTC3890 和 LTC4000 具有电池后备功能的 60V 输入电源

引言

本文介绍的电路对于设计紧凑型电源会非常有用，而且极其有利于输入电源中断情况下的系统运作。所提出的解决方案可嵌入到不间断电源系统或小型独立式模块中。其能够成功地在工业和安全应用、油气勘探通信系统中使用。宽输入电压范围使其成为汽车工业 (包括安放在引擎罩下以及座舱中的电气系统) 的上佳之选。

本文旨在描述采用 24V 至 60V 输入电压范围 (当输入电源可用时) 或 14.4V 电池组 (当输入电源不可用时) 来为 3.3V 电压轨提供不间断电源。当输入电源接入时，电源自动地给电池充电，并在充电过程中限制输入电流。

一对高电压控制器 LTC3890 和 LTC4000 能够提供一款具电池后备功能和非常宽工作电压范围的完整 DC 电压电源解决方案。LTC3890 的输入电压范围为 4.5V 至 60V，而且 LTC4000 可以给额定电压为 3V 至 60V 的电池充电。LTC3890 是一款双路、两相同步降压型 DC/DC 控制器。LTC3890 的一项优势是极低的 50μA 无负载静态电流。低静态电流以及非常低压差操作 (99% 占空比) 使得 LTC3890 在电池供电型系统中极为有用。该解决方案中使用的逻辑电平 MOSFET 可减少与栅极有关的损耗并提升总体系统效率。本文介绍的电路采用一个 LTC3890 输出来提供固定和准确的电压以为客户负载供电，而且它采用第二个输出作为用于电池充电的可变电压电源 (其由 LTC4000 负责控制)。LTC4000 是一款专为转换 DC/DC 电源而设计的控制器，一般充当电池充电器的电压电源。LTC4000 是用于电池充电和电源管理的全功能控制器。另外，该器件还拥有限制系统输入电流和减小输入线路所承受之应力的能力。在某些应用中，当电源不得不同时为电池充电和高耗电负载提供能量时，其具有非常高的重要性。

电路描述

图 1：电源方框图

所提出电路的方框图示于图 1，其具有一个宽输入电压范围：从 24V 至高达 60V。该电路包括以下元件：基于一个输出 LTC3890 转换器的高电压 DC/DC 转换器 (HVDC)、基于 LTC4000 的实际电池充电器和基于另一个输出 LTC3890 转换器的低电压 DC/DC 转换器 (LVDC)。HVDC 转换器可在 15V 至 22V 的输出电压范围内提供高达 10A 的电流。电池充电器能在 16.8V (Vfl) 充电电压下提供 4A 的最大充电电流 (Ich)。LVDC 被设定为 3.3V 电压下输送 2A。NL2044 智能锂离子电池组被选为后备电池。该电池组规格在 Vmax=16.8V、 Vnom = 14.4V 和 Vcutoff = 9.6V，并具有 6.6Ah 容量。

图 2：电源原理图

详细的电原理图示于图 2。其基于一个高电压降压型开关稳压器 LTC3890。第一个输出 LTC3890 受控于 LTC4000 并分配用于给两个负载供电：电池充电器和 LVDC。来自 LTC4000 的控制信号被赋予高优先级，其负责设定 LTC3890 第一个输出的电压电平以确保实现准确的电池充电。该输出上的电压电平不是固定的，其遵循电池充电周期。LTC3890 的第二个输出为 LVDC，其由第一个输出提供并向负载提供 3.3V 固定电压。此输出上的电压电平不依赖于系统电压、电池充电过程或电源 (输入电压或电池)。给出的解决方案可在不同的电源之间实现无缝切换。

LTC4000 充电电路负责执行以下功能：

• 电池的完整充电周期。该充电周期包括：
  • 电池状态检测
  • 提供编程充电电流和电池电压控制
  • 充电周期终止
• 用于隔离从电池至高电压 DC/DC 转换器之反向电流的输入二极管
• 将满充电电池与输入电压电源断接
• 把整个系统的输入电流限制在编程值。该特性在采用熔丝和电路断路器的系统中是很重要

电压轨的标示类似于 LTC4000 演示电路 1830A，其也用于原型设计和模拟板试验推荐的电路。以下是对功率链路组件的电压轨和功能所做的简短说明：

来自未调整之原始电压电源 (24V 至 60V) 的 VIN+ 输入电压。
至 HVDC 的 VIN 输入电压：Q3、Q4、L1。电流检测电阻器 RS1 负责限制至系统的输入电流。理想二极管。Q1 在 VIN 电压中断时断开，并把 HVDC 与电池组断接。
VOUT-SYS 电压轨产生自 PMOS Q1 的源极，而且它负责为电池 (在充电期间) 和 LVDC 馈电。
PMOS Q2 是 LTC4000 PowerPath^TM 控制器的一部分。LVDC 由 VOUT-SYS 电压轨供电，而且它负责向终端负载提供功率，Q5、Q6、L2 构成了该转换器的功率链路。
共阴极二极管 D1 采用输入电压或电池来保持 LTC3782 上的偏置。
 

电路功能

当施加输入电压时，其启动 HVDC 和电池充电器。LTC3890 开