背景
通過 I2C 總線傳送數據的應用已經成熟，不過支持這種接口的電源管理 IC 極少。I2C 是一種簡單的小帶寬、短距離、兩線總線，這種總線不需要芯片選擇或判優邏輯。這種協議提供內置的設備尋址、一個讀/寫標志和一種簡單的確認機制，以確認數據接收。它是一種非常簡單和具有成本優勢的數據串傳送方法。
USB 端口也是一種傳送高速數據的流行方法，這種端口已經成為便攜式設備電池充電的首選方法，從而使單獨的交流適配器成為可選配件。不過，采用 USB 端口充電時，有功率限制。模擬 IC 中的電源通路 (PowerPathTM) 充電系統拓撲消除了這些限制，從而為系統設計師和最終產品用戶提供了無數好處，例如能夠自主和無縫地管理多個電源，以支持系統負載和給電池充電，同時從 USB 端口抽取最大功率。這種 IC 拓撲減少了熱量、使充電時間更短并提供即時接通工作。
盡管技術已經改進了，但是便攜式設備的電池仍然需要保護和調理，以使它們以最佳狀態運行。鋰離子/聚合物電池一些潛在的有害問題包括超過浮置電壓 (不恰當地終止充電周期) 、很高的充電量、以及高壓和高溫同時出現。
設計挑戰
消費者需要短的電池充電時間，對于產品設計師來說，提高充電電流似乎是一個顯然的選擇。但是這引起了兩個主要弊端。首先，如果用線性充電器，提高的電流導致功耗增加，而功耗轉化為熱量。其次，視主器件商所定模式的不同，充電器必須將從 5V USB 總線吸取的電流限制到 100mA (500mW) 或 500mA (2.5W)。在充電過程中浪費的任何功率都直接導致更長的充電周期時間和熱量增加。這種對高效率充電的需求，加之電池充電器 IC 所需的高功能集成度，以及節省電路板空間和提高產品可靠性的需求，施加了極大的設計壓力。
鋰離子/聚合物化學組成的電池提供便攜式電子設備必需的高性能功能，但是這些電池必須謹慎對待。例如，如果充電至比推薦的浮置電壓高 100mV，那么鋰離子/聚合物電池可能變得不穩定。此外，高壓和高溫同時存在會對電池產生有害影響，在極端情況下，可能會毀壞電池。隨著便攜式產品變得更加復雜，功耗提高了，從而需要容量更高的電池。大容量電池或者需要更大的充電電流，或者需要延長充電時間，以達到滿容量。另外，由于 USB 兼容的電池充電對用戶來說更方便，因此成為首選。不過，如前所述，這種兼容性造成了在 5V 時 500mA 電流的限制 (最大功率 2.5W)，從而限制了從 USB 端口吸取的功率。所以，一個基于 USB 的電池充電器必須盡可能高效率地從 USB 端口抽取盡可能多的功率，以最大限度地減少最終產品內的任何熱限制，同時向負載提供最大功率。
管理最終產品內的電源通路也是一個極大的設計挑戰。在今天的電池供電型便攜式電子產品中，很多可以用諸如 5V 交流適配器、USB 端口或鋰離子/聚合物電池等低壓電源以及高壓電源供電。不過，自主管理這些不同的電源和電池之間的電源通路 (同時向負載供電) 造成了巨大的技術難題。傳統上，通過使用少量 MOSFET、運算放大器和其它組件，設計師試圖以分立方式實現這一功能，但是面臨著熱插拔、大浪涌電流和負載上高電壓瞬態等巨大的難題，這可能引起大的系統可靠性問題。
除了電源通路管理，命令控制是另一個設計問題。極少有行業電源管理 IC 提供 I2C 控制功能，但是在很多新式便攜式產品中，支持遙測 (雙向通信和控制) 的需求在增加。迄今為止，這種功能一般都是與電源管理 IC 一起在外部實現。不過，這種趨勢正在改變，因為實現方法正在得到簡化。
系統設計師的主要挑戰可以總結如下：
• 在高溫和滿充電電壓情況下，最大限度地延長電池壽命和提高安全性
• 集成可編程性和遙測功能，以縮短設計和調試時間，并提高靈活性和電源管理系統的可見性
• 管理多個輸入電源和電池之間的電源通路，同時向負載供電
• 最大限度地提高從 USB 端口提供的電流 (可獲得 2.5W)
• 最大限度地減輕熱量問題，同時快速充電
• 最大限度地提高充電效率和延長電池使用壽命
• 最大限度地減小解決方案占板面積和高度
一個簡單的解決方案
滿足上述電池充電器 IC 設計限制的任何解決方案都必須是緊湊、單片 IC，并具有通過I2C 總線實現的自主電源管理功能以及多種回讀和可編程性功能 (雙向通信和控制)。這樣的器件還需要保護和獲得鋰離子/聚合物電池的最高性能。
此外，電源通路管理器的主要目標是，不管可獲得的是什么電源 (輸入電源或電池)，都可以用其為系統供電，同時次要目標是，在必要時給電池充電。在線性和開關拓撲中都可能看到與電源通路管理器集成的電池充電器，因為視具體充電要求的不同，這兩種拓撲每一種都可能對系統有利。盡管在高效率傳送系統功率方面，線性電源通路架構比電池饋送系統有優勢，但是功率在線性電池充電器單元有損失，尤其是在電池電壓很低的情況時 (由于輸入電壓和電池電壓之間大的壓差)。
開關模式電源通路系統的優勢
基于開關模式的電源通路架構通過一個 USB 兼容的降壓型開關穩壓器產生一個中間總線電壓，該降壓型開關穩壓器穩定在比電池電壓略高一點的電壓上，參見圖 1。凌力爾特公司將這種自適應輸出控制形式稱為電池跟蹤 (Bat-TrackTM)。這個穩定的中間電壓剛好足夠高，以允許通過內部線性充電器進行恰當的充電。不過，通過以這種方式跟蹤電池的電壓，最大限度地減少了損失在線性電池充電器中的功率，從而減少了熱量，并確保最大限度地增大提供給負載的功率。這種開關架構具平均輸入電流限制，最大限度地提高了充分利用可從 USB 電源獲得 2.5W 功率的能力。一個可選外部 PFET 降低了電池和負載之間的理想二極管阻抗，從而進一步減少了熱量。這種架構對于具有大容量 (>1.5Ahr) 電池的系統來說是必需的。
圖 1：簡化的開關電源通路電路
TO AUTOMOTIVE, FIREWIRE, ETC.：至汽車、Firewire 等
HIGH VOLTAGE STEP-DOWN SWITCHING REGULATOR：高壓降壓型開關穩壓器
OVERVOLTAGE PROTECTION：過壓保護
Bat-Track HV CONTROL：電池跟蹤 HV 控制
FROM USB OR WALL ADAPTER：自 USB 或交流適配器
TO SYSTEM LOAD：至系統負載
PWM AND GATE DRIVE：PWM 和柵極驅動
CONSTANT-CURRENT CONSTANT-VOLTAGE BATTERY CHARGER：
恒定電流恒定電壓電池充電器
IDEAL DIODE：理想二極管
OPTIONAL EXTERNAL IDEAL DIODE：可選外部理想二極管
AVERAGE INPUT CURRENT LIMIT CONTROLLER：平均輸入電流限制控制器
AVERAGE OUTPUT VOLTAGE LIMIT CONTROLLER：平均輸出電壓限制控制器
SINGLE-CELL ：單節電池
Li-Ion：鋰離子
高效率充電與完全 I2C 控制相結合
LTC4099 是一個 I2C 自主控制的高效率電源管理器、鋰離子/聚合物電池充電器，用于便攜式 USB 供電設備，例如媒體播放器、數碼相機、個人導航設備、智能電話、以及工業和醫療用手持式設備。LTC4099 的開關電源通路拓撲無縫地管理交流適配器或 USB 端口和設備電池之間的電源通路，同時優先向系統負載供電。對于汽車、Firewire 或其它高壓應用而言，LTC4099 提供對一個伴隨開關穩壓器的電池跟蹤控制，從而最大限度地提高電池充電器效率，并降低功耗。例如，當與 LT3653 配合使用時 (LT3653 提供直至高達 30V 的輸入電壓，并可承受 60V 瞬態)，LTC4099 在 USB 和更高電壓的電源之間提供無縫轉換。LTC4099 采用 20 引腳 3mm x 4mm QFN 封裝，保證在 -40C 至 85C 的溫度范圍內工作。
LTC4099 提供很多其它功能。它用一個過壓保護 (OVP) 電路防止偶然加在 USB 輸入上的高壓引起的損壞 ―― 用一個外部 NFET/電阻器組合提供高達 66V 的保護，參見圖 2 以獲得詳細信息。另外，LTC4099 的“即時接通”工作確保加電后系統負載供電，甚至在電池深度放電時也一樣。其內置理想二極管保證，即使 LTC4099 輸入引腳的功率不充足，VOUT 也總是能獲得充足的功率。該器件的理想二極管控制器可用來驅動一個可選 PFET 的柵極，從而將負載和電池之間的阻抗降至 30mΩ 或更低。
圖 2：LTC4099 的簡化方框圖
I2C 控制的高效率電池充電器/USB 電源管理器
OVERVOLTAGE PROTECTION：過壓保護
TO µCONTROLLER：至微控制器
SYSTEM LOAD：系統負載
完全 I2C 控制
LTC4099 具有相當高的內置可調節性，以便通過一個簡單的兩線 I2C 端口控制和監視功率值和狀態信息。
可通過 I2C 編程設定的參數 (能夠激活)：
• 平均輸入電流限制
• 充電電流
• 電池浮置電壓：4.1V 或 4.2V
• 充電終止定時器：1 至 8 小時，以 1 小時為增量
• 充電終止指示電流
• 充電器禁止/重啟
• 電池查驗及調理電路啟動
• 熱調節設定點：+85°C 或 +105°C
• 暫停 LDO 輸入電流：500µA 或 2.5mA
通過 I2C 提供的指示/回讀遙測參數：
• USB 電源存在
• 交流電源存在
• 壞電池 (預充電門限)
• 熱調節中的充電器
• UVLO
• 充電器狀態 (充電器 OFF、恒定電流)
• 滿容量充電 (C/x)
• 熱敏電阻狀態 (溫度故障、電池太熱、電池太涼、溫度過高)
快速和高效率充電
LTC4099 的全功能單節鋰離子/聚合物電池充電器允許充電電流超過從 USB 端口吸取的電流，同時符合 USB 負載規范。就快速和高效率充電而言，該 IC 的開關輸入級幾乎將可從 USB 端口獲得的 2.5W 功率全部轉換成電流，從而可從一個 500mA 限制的 USB 端口實現高達 600mA 的充電電流或 700mA 的系統負載電流，參見圖 3，以詳細了解與線性電池充電器 IC 相比時，功耗降低的情況。用交流適配器供電時，還可獲得高達 1.5A 的充電電流。就改進安全裕度而言，可選用一個集成的過熱電池查驗及調理電路來降低電池電壓，以防高電池溫度和高電池電壓同時出現。此外，該充電器包括熱限制、自動再充電、具自動充電終止和固定持續時間安全定時器的獨立工作、低壓涓流充電、壞電池單元檢測和一個用于溫度合格充電的熱敏電阻輸入。LTC4099 的一個額外的特點是具有一個暫停 LDO，當某個設備被連接至一個暫停 USB 端口時，該 LDO 可在負載電流小于可用的 2.5mA 暫停電流的情況下防止電池漏電。
圖 3：功耗比較
功耗降低與線性電池充電器
POWER DISSIPATION：功耗
LINEAR BATTERY CHARGER：線性電池充電器
ADDITIONAL POWER AVAILABLE FOR CHARGING：充電可獲得的額外功率
SWITCHING BATTERY CHARGER：開關電池充電器
BATTERY VOLTAGE：電池電壓
電池查驗及調理電路
鋰離子/聚合物電池如果存放在高溫環境并完全充電，那么有效壽命會縮短。當電池達到熱敏電阻測量的某個溫度時，LTC4099 內的電池調理器電路就通過釋放一些電池能量，將電池電壓降至一個安全水平，以此用來保護電池免受損壞。電池查驗器可以通過 I2C 通道起動或禁止 (默認)。熱敏電阻測量電路運用一種采樣方法來實現超低功耗，以便可以啟動電池查驗器功能，而不會明顯地增大電池放電電流。通過 I2C 端口啟動時，無論是否可獲得外部電源，電池查驗器都工作，而且不受充電器狀態影響。
如果熱敏電阻溫度達到 45°C，就禁止 LTC4099 的電池充電。如果熱敏電阻溫度上升至高于 60°C，而且啟動了電池查驗器電路，那么就給 BAT 引腳加上一個約為 180mA 的內部負載。一旦電池電壓降至 3.9V，或熱敏電阻讀數降至低于 58°C，那么就禁止內部負載。一旦熱敏電阻溫度降至低于 42°C，電池充電就恢復。
結論
電池供電型產品的設計師受到以下需求的挑戰：輸入電源便利性和高效率數據傳送以及快速充電、低功耗和 USB 兼容性。諸如高壓和高溫同時出現等情況可能對電池造成有害影響。同時，要求設計方案竭盡所能節省電路板空間、降低制造成本并提高產品可靠性。凌力爾特公司日益擴大的開關模式電源通路管理器 IC 系列使得產品設計師的工作容易許多。這些 IC 能夠從 USB 端口抽取更多功率，無縫地管理不同輸入電源和電池之間的電源流動，同時優先向負載供電，通過運用更少和更小的外部組件簡化設計。LTC4099 滿足所有這些以及更多需求。它是一個自主開關模式電源管理器 IC，提供基于 I2C 的遙測、快速 1.5A 充電能力、內置充電終止、高壓工作和電池查驗及調理電路，所有這些功能都包含在一個簡單和緊湊的解決方案中。 |
