適用于任何化學成分的簡單電池充電器IC

許多電池供電設備通常需要各種各樣的充電源、電池化學成分、電壓和電流。例如，工業、高端、功能豐富的消費類、醫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成分都出現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新系統供電。示例包括人行橫道標志燈、便攜式揚聲器系統、垃圾壓實機，甚至船用浮標燈。此外，在太陽能應用中發現的一些鉛酸（LA）電池是深循環電池，除了深度放電外，還能夠在長時間的重復充電循環中存活下來。一個很好的例子是深海海洋浮標，其中10年的部署壽命是先決條件。另一個例子是離網（即與電力公司斷開連接）可再生能源系統，例如太陽能或風能發電，由于接近訪問困難，系統正常運行時間至關重要。

即使在非太陽能應用中，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提供高脈沖電流，使其成為汽車和其他車輛啟動器應用的絕佳選擇。嵌入式汽車應用的輸入電壓>30 V，有些甚至更高?？紤]使用GPS定位系統作為防盜威懾;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用可能很有價值。深循環LA電池是工業應用中流行的另一種技術。它們的極板比汽車電池厚，設計放電至其總容量的 20%。它們通常用于需要較長時間常數的電力的地方，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更困難的組合和拓撲。直到2011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用領域，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轉換器配合使用。

開關充電器與線性充電器

傳統的線性拓撲電池充電器IC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撲結構、多化學充電、高充電效率（最大限度地減少熱量以實現快速充電時間）和寬工作電壓范圍。然而，開關充電器的一些缺點包括成本相對較高、基于電感器的設計更為復雜、潛在的噪聲產生和更大的尺寸解決方案。由于上述原因，現代洛杉磯、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用通常由高壓線性電池充電器供電。然而，更現代的開關模式充電器存在一個機會，可以消除相關的缺點。

簡單的降壓電池充電器

設計人員在開始采用充電解決方案時面臨的一些更嚴峻的挑戰是，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的一些更復雜的輸入源是：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、高阻抗太陽能電池板、汽車和重型卡車/悍馬電池。因此，這些系統中可能的電池化學成分組合 - 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，從而使設計更加艱巨。

由于IC設計的復雜性，現有的電池充電IC主要限于降壓（或降壓）或更復雜的SEPIC拓撲。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雜性。最后，一些現有解決方案為多種電池化學成分充電，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ADI公司開發廣受歡迎的LTC4000電池充電控制器IC（與外部補償DC-DC轉換器配合使用，形成功能強大且靈活的2芯片電池充電解決方案）時，它大大簡化了現有的解決方案，該解決方案相當復雜和繁瑣。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開關穩壓器或一個降壓開關穩壓器充電器控制器，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成分充電以及沒有板載充電終止?？爝M到現在，現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 的系統負載供電。該器件提供了高級系統監控和 PowerPath 管理，以及電池運行狀況監控。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整。該器件提供高達 3.2 A 的精密 ±5% 充電電流調節、±0.75% 充電電壓調節，并在 4.5 V 至 35 V 輸入電壓范圍內工作。應用包括便攜式醫療器械、USB 供電 （USB-C） 設備、軍事設備、工業手持設備和堅固耐用的筆記本電腦/平板電腦。

圖1.LTC4162-L 的典型應用電路。

LTC4162 （參見圖 1） 包含一個準確的 16 位模數轉換器 （ADC），可根據命令連續監視眾多系統參數，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電阻 （BSR）。所有系統參數均可通過雙線I進行監控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，其內置的 PowerPath 拓撲可將輸出電壓與電池分離，從而允許便攜式產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 的內置充電曲線針對多種電池化學組成進行了優化，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電池溫度自動調節，以符合JEITA指南或定制。對于LA，連續溫度曲線根據環境溫度自動調整電池電壓。對于所有化學品，都可以使用可選的芯片結溫度調節系統，防止在空間受限或熱挑戰應用中過度加熱。有關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（按電池數量）

如果需要更高的電流怎么辦？

LTC?4015 還是一款具有內置遙測功能的高度集成、高電壓、多化學反應、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，可實現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。它提供高級系統監控和管理功能，包括電池庫侖計數和健康監控。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整。

圖3.12 V在至 2 節鋰離子電池 8 A 降壓電池充電器電路。

LTC4015提供高達20 A的精密±2%充電電流調節、±1.25%充電電壓調節，并在4.5 V至35 V輸入電壓范圍內工作。應用包括便攜式醫療器械、軍事設備、電池備份應用、工業手持設備、工業照明、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。

LTC4015 還內置一個準確的 14 位模數轉換器 （ADC） 以及一個高精度庫侖計數器。ADC持續監控眾多系統參數，包括輸入電壓、輸入電流、電池電壓、電池電流，并根據命令報告電池溫度和電池串聯電阻（BSR）。通過監視這些參數，LTC4015 可以報告電池的健康狀態及其充電狀態。所有系統參數均可通過雙線I進行監控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致中斷。LTC4015 的內置充電曲線針對各種電池化學成分（包括鋰離子 / 聚合物、LiFePO4 和 LA）中的每一種進行了優化。配置引腳允許用戶在每種電池化學成分的幾種預定義充電算法以及可通過I調整參數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電池溫度自動調整，以符合JEITA指南，甚至自定義設置。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，可實現出色的熱性能。

圖4.采用 LTC4015 的鉛酸充電效率。

節省空間、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，它可以節省高達 50% 的 PCB 面積。由于它們的特性集相似，因此當輸出電流>3.2 A至20 A或更高時，應使用LTC4015。沒有一個行業競爭的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量時，LTC4162 可在 PCB 占板面積方面節省多達 40%，使其成為更具吸引力的設計選擇。

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。隨著面板電流在2個或更長時間的動態范圍內變化，該電壓可能會在12 V至18 V范圍內發生劇烈變化。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。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先的應用中實現高性能，在這些應用中，只有更復雜、更老的技術基于開關穩壓器的拓撲（如SEPIC）曾經是唯一的選擇。這大大簡化了設計人員在中高功率電池充電器電路方面的任務。

審核編輯：郭婷