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重磅推薦!適用于任何化學(xué)物的電池充電器 IC

發(fā)布時(shí)間:2019-02-28 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】許多由電池供電的設(shè)備通常需要各種各樣的充電電源、電池化學(xué)組成、電壓和電流。例如,隨著適合所有類型電池化學(xué)組成的新型大電池組出現(xiàn),功能豐富的高端消費(fèi)型、醫(yī)療、工業(yè)和汽車電池充電器電路都需要更高電壓和電流。
 
然而,針對(duì)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(fù)雜的組合和拓?fù)洌ǔ2捎玫募呻娐泛头至⑹浇M件組合,繁瑣累贅……
 
直到 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(chǎng)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(bǔ)償兼容型dc-dc轉(zhuǎn)換器組成。
 
開關(guān)與線性充電器
 
傳統(tǒng)線性拓?fù)潆姵爻潆娖鱅C常常因其緊湊的尺寸、簡(jiǎn)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(diǎn),包括輸入和電池電壓范圍有限、電流消耗量相對(duì)更高、功耗過高、充電端電極算法有限,以及相對(duì)效率更低(效率 ~ [VOUT/VIN] × 100%)。另一方面,開關(guān)模式電池充電器也因其靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),多化學(xué)充電、高充電效率(產(chǎn)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(guān)充電器也存在一些缺點(diǎn),包括:成本相對(duì)較高,基于電感的設(shè)計(jì)更為復(fù)雜,可能會(huì)產(chǎn)生噪聲,解決方案尺寸較大。
 
基于上述原因,現(xiàn)代鉛酸、無線電源、能量收集、太陽能充電、遠(yuǎn)程傳感器和嵌入式汽車應(yīng)用通常使用高壓線性電池充電器供電。但是,現(xiàn)在有機(jī)會(huì)獲得沒有這些缺點(diǎn)的更現(xiàn)代化的開關(guān)模式充電器。
 
簡(jiǎn)單的降壓電池充電器
 
設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)充電解決方案時(shí)會(huì)面臨一些嚴(yán)峻挑戰(zhàn),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(tǒng),遇到的更復(fù)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(tǒng)、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(tǒng)中使用的電池化學(xué)組合數(shù)量隨之進(jìn)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(shè)計(jì)面臨更復(fù)雜的局面。
 
由于IC設(shè)計(jì)的復(fù)雜性,現(xiàn)有的電池充電IC主要局限于采用降壓型(或降壓)或更復(fù)雜的SEPIC拓?fù)洹T谶@個(gè)組合中添加太陽能充電功能,會(huì)帶來各種其他難題。最后,現(xiàn)有的一些解決方案為多種電池化學(xué)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(gè)電池堆疊需求
● 靈活性—能夠?yàn)槎喾N電池化學(xué)組成充電
● 帶有板載充電終止功能算法的簡(jiǎn)單自主操作(無需微處理器)
● 高充電電流,能夠?yàn)榇笮透呷萘侩姵乜焖俪潆?/div>
● 太陽能充電功能
● 采用先進(jìn)封裝以提高散熱性能和空間效率
 
ADI在幾年前開發(fā)出頗受歡迎的LTC4000電池充電控制器IC(與外部補(bǔ)償dc-dc轉(zhuǎn)換器配合使用,構(gòu)成功能強(qiáng)大且靈活的2芯片電池充電解決方案)之后,極大地簡(jiǎn)化了現(xiàn)有的非常復(fù)雜和麻煩的解決方案。為了實(shí)現(xiàn)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(gè)降壓-升壓dc-dc開關(guān)穩(wěn)壓器或一個(gè)降壓開關(guān)穩(wěn)壓器充電器控制器(與一個(gè)前端增壓控制器配對(duì))、一個(gè)微處理器,以及多個(gè)IC和分立組件。主要缺點(diǎn)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(xué)組成充電,以及沒有板載充電終止功能。
 
快速發(fā)展到現(xiàn)在,目前已經(jīng)有一些更簡(jiǎn)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(jí)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(xué)組成同步單片降壓電池充電器和PowerPath管理器,具有板載遙測(cè)功能和可選的最大功率點(diǎn)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(shí)仍然為系統(tǒng)負(fù)載提供高達(dá)35 V的電力。該設(shè)備提供先進(jìn)的系統(tǒng)監(jiān)控和PowerPath管理,以及電池狀況監(jiān)測(cè)。雖然使用LTC4162最先進(jìn)的功能需要采用主機(jī)微控制器,仍可選擇性地使用I2C端口。該產(chǎn)品的主要充電功能可以使用引腳綁定配置和編程電阻進(jìn)行調(diào)整。該設(shè)備提供±5%的充電電流調(diào)節(jié)(高達(dá)3.2 A)、±0.75%的充電電壓調(diào)節(jié),支持4.5 V至35 V的輸入電壓范圍。適用于便攜式醫(yī)療器械、USB電源傳輸(USB-C)設(shè)備、軍事設(shè)備、工業(yè)手持設(shè)備和加固筆記本/平板電腦等。
 
重磅推薦!適用于任何化學(xué)物的電池充電器 IC
圖1. LTC4162-L的典型應(yīng)用電路
 
LTC4162(見圖1)包含一個(gè)精確的16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC),可以按照需求連續(xù)監(jiān)控許多系統(tǒng)參數(shù),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(lián)電阻(BSR)。所有系統(tǒng)參數(shù)都可以通過一個(gè)雙線I2C接口來監(jiān)控,而可編程和可屏蔽的警報(bào)可以確保只有感興趣的信息才會(huì)導(dǎo)致中斷。該設(shè)備的主動(dòng)最大功率點(diǎn)跟蹤算法在全局范圍內(nèi)掃描輸入低壓控制回路,并選擇一個(gè)工作點(diǎn),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(nèi)置的PowerPath拓?fù)淙ヱ铍姵刂械妮敵鲭妷?,使便攜式產(chǎn)品能夠在極低電池電壓條件下使用充電電源時(shí)即時(shí)啟動(dòng)。LTC4162的板載充電配置針對(duì)鋰離子/聚合物、LiFePO4和鉛酸等多種電池化學(xué)組成實(shí)施了優(yōu)化。充電電壓和充電電流都可以根據(jù)電池溫度自動(dòng)調(diào)整,以符合JEITA指南的要求,或者可以自定義。對(duì)于鉛酸電池,連續(xù)溫度曲線會(huì)根據(jù)環(huán)境溫度自動(dòng)調(diào)整電池電壓。對(duì)于所有化學(xué)組成,可以采用可選的模具連接溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng),防止在受限空間或存在熱問題的應(yīng)用中出現(xiàn)過熱。鋰離子充電能效性能參見圖2。
 
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圖2. 采用不同數(shù)量電池時(shí),鋰離子充電效率與輸入電壓的關(guān)系
 
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(jí)和I級(jí)設(shè)備能夠在–40°C至+125°C范圍內(nèi)工作。
 
需要更高電流時(shí)怎么辦?
 
LTC4015也是一款高度集成的高電壓、多化學(xué)組成、同步降壓型電池充電器,提供板載遙測(cè)功能。但是,它采用了控制器架構(gòu)與離線功率FET,可以實(shí)現(xiàn)更高的充電電流能力(高達(dá)20 A或更高,具體取決于所選的外部組件)。該設(shè)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(jìn)的系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和管理功能,包括電池庫侖計(jì)數(shù)和狀況監(jiān)測(cè)。
 
雖然使用LTC4015最先進(jìn)的功能需要采用主機(jī)微控制器,仍可選擇性地使用I2C端口。該產(chǎn)品的主要充電功能可以使用引腳綁定配置和編程電阻進(jìn)行調(diào)整。
 
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圖3. 12 VIN、8 A雙鋰離子電池降壓型電池充電器電路。
 
LTC4015提供±2%的充電電流調(diào)節(jié)(高達(dá)20 A)、±1.25%的充電電壓調(diào)節(jié),支持4.5 V至35 V的輸入電壓范圍。適用于便攜式醫(yī)療儀器、軍事設(shè)備、電池備份應(yīng)用、工業(yè)手持設(shè)備、工業(yè)照明、加固式筆記本/平板電腦、遠(yuǎn)程動(dòng)力通信和遙測(cè)系統(tǒng)。
 
LTC4015還包含一個(gè)精確的14位ADC,以及一個(gè)高精度庫侖計(jì)數(shù)器。ADC連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的許多參數(shù),包括輸入電壓、輸入電流、電池電壓、電池電流,并根據(jù)命令報(bào)告電池溫度和電池串聯(lián)電阻(BSR)。通過監(jiān)測(cè)這些參數(shù),LTC4015可以報(bào)告電池的工作狀態(tài)和充電狀態(tài)。所有的系統(tǒng)參數(shù)都可以通過一個(gè)雙線I2C接口來監(jiān)控,而可編程和可屏蔽的警報(bào)可以確保只有感興趣的信息才會(huì)導(dǎo)致中斷。LTC4015的板載充電配置針對(duì)鋰離子/聚合物、LiFePO4和鉛酸等多種電池化學(xué)組成進(jìn)行了優(yōu)化。通過配置引腳,用戶可以在幾種為電池化學(xué)組成預(yù)先定義的充電算法,以及幾種可以通過I2C調(diào)整參數(shù)的算法之間進(jìn)行選擇。充電電壓和充電電流都可以根據(jù)電池溫度自動(dòng)調(diào)整,以符合JEITA指南,或者自定義設(shè)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。
 
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圖4. LTC4015的鉛酸充電效率
 
節(jié)省空間、靈活、具備更高的功率級(jí)別
 
由于LTC4162是一個(gè)帶有集成功率MOSFET的單片器件,在同等功率等級(jí)下(例如,3 A),它比LTC4015節(jié)省多達(dá)50%的PCB面積。由于它們的功能相似,當(dāng)輸出電流范圍為>3.2 A到20 A,或高于此范圍時(shí),應(yīng)該使用LTC4015。業(yè)內(nèi)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(chǎn)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(xué)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(dāng)您考慮實(shí)現(xiàn)最近的競(jìng)爭(zhēng)單片式電池充電器解決方案需要用到的外部組件數(shù)量時(shí),LTC4162能夠節(jié)省多達(dá)40%的PCB空間,因此更具吸引力。
 
大陽能充電
 
在最大功率點(diǎn)(MPP)操作太陽能電池板有許多方法。最簡(jiǎn)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(shù)依賴于將電池板的最大輸出電壓與電池相對(duì)狹窄的電壓范圍匹配。當(dāng)可用功率非常低(大約低于幾十毫瓦)時(shí),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(shù),這種技術(shù)可以根據(jù)入射光的變化來確定太陽能電池板的最大功率電壓(MPV)。當(dāng)電路板電流在20年或更長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)時(shí)間范圍內(nèi)發(fā)生變化時(shí),這個(gè)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(xù)跟蹤最大功率點(diǎn),還可以在功率曲線上選擇正確的最大功率點(diǎn),從而在功率曲線上出現(xiàn)多個(gè)峰值時(shí),在部分遮陽條件下增加電路板獲得的功率。在弱光狀態(tài)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(jié)論
 
ADI公司功能齊全而強(qiáng)大的全新電池充電和PowerPath管理器集成電路LTC4162和LTC4015,簡(jiǎn)化了繁復(fù)的高壓和高電流充電系統(tǒng)。這些設(shè)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(xué)組成(包括鋰離子/聚合物、LiFePO4和SLA)之間的電源分配。其簡(jiǎn)單的解決方案和緊湊的外形使它們能夠在前沿應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)高性能,而過去只有基于更復(fù)雜、更古老的開關(guān)調(diào)節(jié)器的拓?fù)洌ㄈ鏢EPIC)才是唯一的選擇。設(shè)計(jì)中高功率電池充電器電路時(shí),可以極大簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)師的工作。
 
 
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