許多電池供電設(shè)備通常需要各種各樣的充電源、電池化學(xué)成分、電壓和電流。例如，工業(yè)、高端、功能豐富的消費類、醫(yī)療和汽車電池充電器電路需要更高的電壓和電流，因為所有類型的電池化學(xué)成分都出現(xiàn)了更新的大型電池組。此外，具有廣泛功率水平的太陽能電池板正被用于為包含可充電密封鉛酸（SLA）和鋰基電池的各種創(chuàng)新系統(tǒng)供電。示例包括人行橫道標(biāo)志燈、便攜式揚聲器系統(tǒng)、垃圾壓實機，甚至船用浮標(biāo)燈。此外，在太陽能應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)的一些鉛酸（LA）電池是深循環(huán)電池，除了深度放電外，還能夠在長時間的重復(fù)充電循環(huán)中存活下來。一個很好的例子是深海海洋浮標(biāo)，其中10年的部署壽命是先決條件。另一個例子是離網(wǎng)（即與電力公司斷開連接）可再生能源系統(tǒng)，例如太陽能或風(fēng)能發(fā)電，由于接近訪問困難，系統(tǒng)正常運行時間至關(guān)重要。

即使在非太陽能應(yīng)用中，最近的市場趨勢也意味著人們對高容量SLA電池重新產(chǎn)生了興趣。從成本/功率輸出的角度來看，汽車或啟動SLA電池價格低廉，并且可以在短時間內(nèi)提供高脈沖電流，使其成為汽車和其他車輛啟動器應(yīng)用的絕佳選擇。嵌入式汽車應(yīng)用的輸入電壓>30 V，有些甚至更高?？紤]使用GPS定位系統(tǒng)作為防盜威懾;具有典型12 V輸入降壓至2串鋰離子電池（典型值為7.4 V）且需要保護更高電壓的線性充電器對于此應(yīng)用可能很有價值。深循環(huán)LA電池是工業(yè)應(yīng)用中流行的另一種技術(shù)。它們的極板比汽車電池厚，設(shè)計放電至其總?cè)萘康?20%。它們通常用于需要較長時間常數(shù)的電力的地方，例如叉車和高爾夫球車。然而，與鋰離子電池一樣，LA 電池對過度充電很敏感，因此在充電周期中仔細(xì)處理非常重要。

基于電流集成電路 （IC） 的解決方案僅涵蓋輸入電壓、充電電壓和充電電流的眾多可能組合中的一小部分。IC和分立元件的繁瑣組合通常用于覆蓋其余大多數(shù)更困難的組合和拓?fù)?。直?011年，ADI公司才通過其廣受歡迎的2芯片充電解決方案解決并簡化了這一市場應(yīng)用領(lǐng)域，該解決方案由LTC4000電池充電控制器IC與兼容的外部補償DC-DC轉(zhuǎn)換器配合使用。

開關(guān)充電器與線性充電器

傳統(tǒng)的線性拓?fù)潆姵爻潆娖鱅C通常因其緊湊的尺寸、簡單性和低成本而受到重視。然而，這些線性充電器的缺點包括輸入和電池電壓范圍有限、相對電流消耗較高、功耗過大、充電終止算法有限以及相對效率較低（效率 ~ [VOUT/VIN] × 100%）。另一方面，開關(guān)模式電池充電器也是受歡迎的選擇，因為它們具有靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、多化學(xué)充電、高充電效率（最大限度地減少熱量以實現(xiàn)快速充電時間）和寬工作電壓范圍。然而，開關(guān)充電器的一些缺點包括成本相對較高、基于電感器的設(shè)計更為復(fù)雜、潛在的噪聲產(chǎn)生和更大的尺寸解決方案。由于上述原因，現(xiàn)代洛杉磯、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(yīng)用通常由高壓線性電池充電器供電。然而，更現(xiàn)代的開關(guān)模式充電器存在一個機會，可以消除相關(guān)的缺點。

簡單的降壓電池充電器

設(shè)計人員在開始采用充電解決方案時面臨的一些更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)是，輸入源范圍廣，電池種類繁多，電池容量大，需要充電，輸入電壓高。

輸入源既寬又可變，但處理電池充電系統(tǒng)的一些更復(fù)雜的輸入源是：電壓范圍為 5 V 至 19 V 及以上的高功率壁式適配器、整流 24 V 交流系統(tǒng)、高阻抗太陽能電池板、汽車和重型卡車/悍馬電池。因此，這些系統(tǒng)中可能的電池化學(xué)成分組合 - 鋰基（鋰離子，鋰聚合物，磷酸鐵鋰（LiFePO4））和LA基 - 進一步增加了排列，從而使設(shè)計更加艱巨。

由于IC設(shè)計的復(fù)雜性，現(xiàn)有的電池充電IC主要限于降壓（或降壓）或更復(fù)雜的SEPIC拓?fù)?。將太陽能充電功能添加到這種組合中，您將打開各種其他復(fù)雜性。最后，一些現(xiàn)有解決方案為多種電池化學(xué)成分充電，一些則采用板載端接。然而，到目前為止，還沒有一個IC充電器提供解決這些問題所需的所有性能特性。

功能豐富的新型緊湊型充電器

解決上述問題的降壓IC充電解決方案需要具備以下大部分屬性：

寬輸入電壓范圍

寬輸出電壓范圍，可滿足多個電池組的需求

靈活性 — 能夠為多種電池化學(xué)成分充電

采用板載充電終止算法的簡單自主操作（無需微處理器）

用于快速充電、大型、高容量電池的高充電電流

太陽能充電能力

先進的封裝，可提高熱性能和空間效率

幾年前，當(dāng)ADI公司開發(fā)廣受歡迎的LTC4000電池充電控制器IC（與外部補償DC-DC轉(zhuǎn)換器配合使用，形成功能強大且靈活的2芯片電池充電解決方案）時，它大大簡化了現(xiàn)有的解決方案，該解決方案相當(dāng)復(fù)雜和繁瑣。啟用 PowerPath 的步驟唰唰??控制、升壓/降壓功能和輸入電流限制解決方案包括一個降壓-升壓DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器或一個降壓開關(guān)穩(wěn)壓器充電器控制器，與前端升壓控制器、一個微處理器以及多個IC和分立元件組成。主要缺點包括工作電壓范圍有限、沒有太陽能電池板輸入能力、無法為所有電池化學(xué)成分充電以及沒有板載充電終止?？爝M到現(xiàn)在，現(xiàn)在可以使用一些更簡單，更緊湊的單片解決方案來解決這些問題。ADI公司的LTC4162和LTC4015降壓電池充電器均提供單芯片降壓充電解決方案，具有不同的充電電流水平和完整的功能集。

LTC4162 電池充電器

LTC?4162 是一款高度集成的高電壓、高電壓多化學(xué)同步單片式降壓型電池充電器和 PowerPath 管理器，具有板載遙測功能和可選的最大功率點跟蹤 （MPPT）。它有效地從各種輸入源（如墻上適配器、背板和太陽能電池板）傳輸電源，為鋰離子/聚合物、LiFePO4 或 LA 電池組充電，同時仍為高達 35 V 的系統(tǒng)負(fù)載供電。該器件提供了高級系統(tǒng)監(jiān)控和 PowerPath 管理，以及電池運行狀況監(jiān)控。雖然需要一個主機微控制器來訪問LTC4162的最高級功能，但使用I2C 端口是可選的。該產(chǎn)品的主要充電特性可通過引腳連接配置和編程電阻進行調(diào)整。該器件提供高達 3.2 A 的精密 ±5% 充電電流調(diào)節(jié)、±0.75% 充電電壓調(diào)節(jié)，并在 4.5 V 至 35 V 輸入電壓范圍內(nèi)工作。應(yīng)用包括便攜式醫(yī)療器械、USB 供電 （USB-C） 設(shè)備、軍事設(shè)備、工業(yè)手持設(shè)備和堅固耐用的筆記本電腦/平板電腦。

圖1.LTC4162-L 的典型應(yīng)用電路。

LTC4162 （參見圖 1） 包含一個準(zhǔn)確的 16 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC），可根據(jù)命令連續(xù)監(jiān)視眾多系統(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、管芯溫度和電池串聯(lián)電阻 （BSR）。所有系統(tǒng)參數(shù)均可通過雙線I進行監(jiān)控2C 接口，而可編程和可屏蔽的警報確保只有感興趣的信息會導(dǎo)致中斷。該器件的有源最大功率點跟蹤算法全局掃描輸入欠壓控制環(huán)路，并選擇工作點，以最大限度地從太陽能電池板和其他電阻源中提取功率。此外，其內(nèi)置的 PowerPath 拓?fù)淇蓪⑤敵鲭妷号c電池分離，從而允許便攜式產(chǎn)品在非常低的電池電壓條件下使用充電電源時立即啟動。LTC4162 的內(nèi)置充電曲線針對多種電池化學(xué)組成進行了優(yōu)化，包括鋰離子 / 聚合物、LiFePO4 和 LA。充電電壓和充電電流都可以根據(jù)電池溫度自動調(diào)節(jié)，以符合JEITA指南或定制。對于LA，連續(xù)溫度曲線根據(jù)環(huán)境溫度自動調(diào)整電池電壓。對于所有化學(xué)品，都可以使用可選的芯片結(jié)溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，防止在空間受限或熱挑戰(zhàn)應(yīng)用中過度加熱。有關(guān)鋰離子充電效率性能，請參見圖2。

最后，LTC4162采用28引腳、4 mm×5 mm QFN封裝，具有裸露金屬焊盤，以實現(xiàn)出色的熱性能。E 級和 I 級器件保證工作溫度范圍為 –40°C 至 +125°C。

圖2.鋰離子電池充電效率與輸入電壓（按電池數(shù)量）

如果需要更高的電流怎么辦？

LTC?4015 還是一款具有內(nèi)置遙測功能的高度集成、高電壓、多化學(xué)反應(yīng)、同步降壓型電池充電器。但是，它采用帶有板外功率 FET 的控制器架構(gòu)，可實現(xiàn)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）。該器件可從輸入源（墻上適配器、太陽能電池板等）高效地向鋰離子/聚合物、LiFePO4 或 LA 電池供電。它提供高級系統(tǒng)監(jiān)控和管理功能，包括電池庫侖計數(shù)和健康監(jiān)控。雖然需要主機微控制器來訪問LTC4015的最高級功能，但使用其 I2C 端口是可選的。該產(chǎn)品的主要充電特性可通過引腳連接配置和編程電阻進行調(diào)整。

圖3.12 V在至 2 節(jié)鋰離子電池 8 A 降壓電池充電器電路。

LTC4015提供高達20 A的精密±2%充電電流調(diào)節(jié)、±1.25%充電電壓調(diào)節(jié)，并在4.5 V至35 V輸入電壓范圍內(nèi)工作。應(yīng)用包括便攜式醫(yī)療器械、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、加固型筆記本電腦/平板電腦以及遠程供電通信和遙測系統(tǒng)。

LTC4015 還內(nèi)置一個準(zhǔn)確的 14 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 以及一個高精度庫侖計數(shù)器。ADC持續(xù)監(jiān)控眾多系統(tǒng)參數(shù)，包括輸入電壓、輸入電流、電池電壓、電池電流，并根據(jù)命令報告電池溫度和電池串聯(lián)電阻（BSR）。通過監(jiān)視這些參數(shù)，LTC4015 可以報告電池的健康狀態(tài)及其充電狀態(tài)。所有系統(tǒng)參數(shù)均可通過雙線I進行監(jiān)控2C 接口，同時可編程和可屏蔽警報確保只有感興趣的信息會導(dǎo)致中斷。LTC4015 的內(nèi)置充電曲線針對各種電池化學(xué)成分（包括鋰離子 / 聚合物、LiFePO4 和 LA）中的每一種進行了優(yōu)化。配置引腳允許用戶在每種電池化學(xué)成分的幾種預(yù)定義充電算法以及可通過I調(diào)整參數(shù)的幾種算法之間進行選擇2C. 充電電壓和充電電流都可以根據(jù)電池溫度自動調(diào)整，以符合JEITA指南，甚至自定義設(shè)置。鉛酸充電效率性能見圖4。LTC4015采用5 mm×7 mm QFN封裝，具有裸露金屬焊盤，可實現(xiàn)出色的熱性能。

圖4.采用 LTC4015 的鉛酸充電效率。

節(jié)省空間、靈活性和更高的功率水平

在相同的功率電平（例如 3 A）下，由于 LTC4162 是一款集成功率 MOSFET 的單片式器件，因此與 LTC4015 相比，它可以節(jié)省高達 50% 的 PCB 面積。由于它們的特性集相似，因此當(dāng)輸出電流>3.2 A至20 A或更高時，應(yīng)使用LTC4015。沒有一個行業(yè)競爭的IC電池充電器解決方案提供相同的高集成度，也無法產(chǎn)生相同的功率水平。接近充電電流（2 A至3 A）的器件僅限于單個電池化學(xué)成分（鋰離子）或電池充電電壓（最大值為13 V），因此不提供LTC4162或LTC4015的功率水平和靈活性。此外，當(dāng)您考慮最接近的競爭單片式電池充電器解決方案所需的外部組件數(shù)量時，LTC4162 可在 PCB 占板面積方面節(jié)省多達 40%，使其成為更具吸引力的設(shè)計選擇。

太陽能充電

有許多方法可以在其最大功率點（MPP）下操作太陽能電池板。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。該技術(shù)依賴于將面板的最大輸出電壓與電池相對較窄的電壓范圍相匹配。當(dāng)可用功率水平非常低（大約小于幾十毫瓦）時，這可能是最好的方法。但是，功率水平并不總是很低。因此，LTC4162 和 LTC4015 采用 MPPT，這是一種在入射光量變化時查找太陽能電池板最大功率電壓 （MPV） 的技術(shù)。隨著面板電流在2個或更長時間的動態(tài)范圍內(nèi)變化，該電壓可能會在12 V至18 V范圍內(nèi)發(fā)生劇烈變化。MPPT電路算法查找并跟蹤向電池提供最大充電電流的面板電壓值。MPPT功能不僅可以連續(xù)跟蹤最大功率點，還可以在功率曲線上選擇正確的最大值，以增加在功率曲線上出現(xiàn)多個峰值時在部分陰影條件下從面板收集的功率。在弱光期間，低功耗模式允許充電器提供較小的充電電流，即使沒有足夠的光線讓 MPPT 功能運行。

結(jié)論

ADI公司最新的功能強大、功能齊全的電池充電和PowerPath管理器IC LTC4162和LTC4015簡化了非常困難的高電壓和高電流充電系統(tǒng)。這些器件可有效管理輸入源（如墻上適配器、背板、太陽能電池板等）之間的配電，以及各種電池化學(xué)成分（包括鋰離子/聚合物、LiFePO4 和 SLA）的充電。其簡單的解決方案和緊湊的尺寸使其能夠在領(lǐng)先的應(yīng)用中實現(xiàn)高性能，在這些應(yīng)用中，只有更復(fù)雜、更老的技術(shù)基于開關(guān)穩(wěn)壓器的拓?fù)洌ㄈ鏢EPIC）曾經(jīng)是唯一的選擇。這大大簡化了設(shè)計人員在中高功率電池充電器電路方面的任務(wù)。

審核編輯：郭婷