便携式电源产品中的电池充电器发展趋势

背景

　　便携式电源应用领域宽泛而多样。产品涵盖了从平均功耗仅几 μW 的无线传感器节点到采用好几百瓦时电池组的车载式医疗或数据采集系统等众多门类。然而，尽管品种繁多，但它们却呈现出了相对一致的发展趋势 ━━ 设计人员不断地要求其产品拥有较高的功率以支持更多的功能，并指望能从任何可用的电源来给电池充电。第一个趋势要求增加电池容量。不幸的是，用户常常缺乏耐心，而且增加的电池容量必须要在合理的时间之内完成充电，这就必然导致充电电流的增大。第二个趋势则要求电池充电解决方案具有巨大的灵活性。我们将对这些问题逐个进行较为详细的探究。

　　更高的功率

　　新式的手持设备 (无论是消费类设备还是工业设备) 都有可能包括一个蜂窝电话调制解调器、一个WiFi模块、一个蓝牙模块、一个大型的背面照明显示器等等。许多手持式设备的电源架构都可通过蜂窝电话反映出来。通常，3.7V 的锂离子电池因其很高的重量 (Wh/kg) 和体积 (Wh/m3) 能量密度而被用作主电源。过去，不少高功率密度设备都采用一个 7.4V 锂离子电池以降低电流需求，但廉价的 5V 电源管理 IC 的面市使得越来越多的手持式设备转而采用较低电压架构。平板电脑很好地体现了这一点 ━━ 标准的平板电脑拥有丰富的功能以及非常大 (用于便携式设备) 的屏幕。当采用一个 3.7V 电池来供电时，电池的容量必须达到几千mAh。为了能够在几个小时之内完成此类电池的充电，需要几千mA的充电电流。

　　然而，消费者同样希望能够在没有可用的大电流墙上适配器时从一个 USB 端口来为其高功率设备充电，这种愿望并未因为上述的高充电电流而被遏制。为了满足这些要求，在可以使用墙上适配器时，电池充电器必须要能够以高电流 (>2A) 进行充电，但仍然可以高效地利用 USB 端口所提供的 2.5W 至 4.5W 功率。此外，产品还必需避免敏感的下游低电压组件遭受有可能造成损坏的过压，将高电流从一个 USB 输入、一个墙上适配器或电池无缝地引导至负载，并最大限度地降低功率损耗。与此同时，IC 必须安全地管理电池充电算法并监视关键的系统参数。

　　解决单节电池供电型便携式产品的电源难题

　　尽管似乎无法找到单个 IC 来满足上述要求，但不妨考虑一下 LTC4155，这是一款高功率、I2C 控制、高效率 PowerPathTM管理器、理想二极管控制器和锂离子电池充电器。该器件设计用于从多种 5V 电源高效地输送高达 3A 的电流，可为电池充电及系统用途提供 3.5A 以上的电流。即使在这些高电流水平下，LTC4155 的 88% ~ 94% 效率仍然可使热预算限制条件有所放宽。LTC4155 的开关 PowerPath 拓扑结构可对从两个输入电源 (比如：墙上适配器和 USB 端口) 至设备的可再充电锂离子电池的功率输送进行无缝管理，并在输入功率有限时优先向系统负载供电。

　　LTC4155 的开关稳压器起一个变压器的作用，允许 VOUT 上的负载电流超过输入电源所吸收的电流，与常用的线性模式充电器相比，大幅度地改善了电池充电可用功率的使用效率。如前面的例子所示，LTC4155 能够以高达 3.5A 的电流进行高效充电，从而缩短充电时间。与普通的开关电池充电器不同，LTC4155 具有"即时接通"操作能力，以确保在插入电源时可立即获得系统功率，即使所采用的是一个失效的电池或深度放电的电池也不例外。

　　在对电池进行高速充电时，监视电池的安全性是很重要的。LTC4155 将在电池温度下降至 0℃ 以下或上升至 40℃ 以上 (由一个外部负温度系数 [NTC] 热敏电阻负责测量) 时自动停止充电。除了这种自主特性之外，LTC4155 还提供了一个 7 位扩展标度模数转换器 (ADC)，用于以大约 1℃ 的分辨率来监视电池的温度。结合 4 种可用的浮置电压设定值和 15 种电池充电电流设定值，该 ADC 能够用于建立基于电池温度的定制充电算法。

　　通过一个简单的二线式 I2C 端口可获得 NTC ADC 结果，从而据此调整充电电流和电压设定值。该I2C 端口还通过控制 16 种输入电流限制设定值 (包括可兼容 USB 2.0 和 3.0 规格的设定值) 提供了与 USB 规范的兼容性。通信总线允许 LTC4155提供额外的状态指示信息，例如：输入电源状态、充电器状态和故障状态。USB OTG (On-The-Go) 支持能力可在未采用任何附加组件的情况下提供一个返回 USB 端口的 5V 电源。

LTC4155 的双输入、优先级多路复用器可根据用户定义的优先级 (适配器输入是默认的优先选择) 自主选择最合适的输入 (墙上适配器或 USB)。过压保护 (OVP) 电路用于同时保护两个输入免遭因意外施加高电压或反向电压而造成的损坏。LTC4155 的理想二极管控制器可