运用一个开关PowerPath管理器来提高锂离子电池充电速度并减少发热量

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作者:凌力尔特公司 Steven Martin

引言
手持式产品设计师争先恐后地在外形日趋小巧的设备之中集成尽可能多的“时尚”功能。屏幕大而明亮的彩色显示器、Wi-Fi、WiMax、蓝牙、GPS、照相机、手机、触摸屏、电影播放器、音乐播放器和收音机等等,只不过是当今电池供电型便携式设备众多常见功能当中的一小部分。在这么狭小的空间里集成如此之多的功能所面临的一大问题是:这种“时尚”产品在使用过程中必须保持“低温”状态。在手持式设备中,最大限度地降低散逸热是需要优先考虑的因素,而电池充电器是一个重要的发热源。


多年来,手持式设备的一个组件几乎一成不变,那就是锂离子电池。尽管当今电池的容量已经从几百毫安时 (mAh) 增加至几安时 (Ah),以适应现代便携式产品不断扩充的功能组,但基本的锂离子电池技术却并未发生什么变化。锂离子电池为什么能够经久不衰?无可比拟的能量密度 (无论是从质量还是体积来衡量都是如此)、高电压、低自放电、宽可用温度范围、无记忆效应、无电池反向、无电池平衡以及对环境的轻微影响等,所有这些使得锂离子电池成为高性能便携式产品的优选电源。


然而,给如今的大型电池充电却绝非小事一桩。为了能够在合理的时间内完成其充电,应当以一个与其容量相称的速率、并采用一种特殊的算法来执行充电操作。例如:若想在大约一个小时的时间里完成一个1Ah电池的满充电,则需1A的充电电流。如果希望采用USB供电型充电,那么将只有500mA的可用电流,从而导致充电时间延长一倍 (达2小时)。


采用较高充电电流的另一个问题是会在充电过程中产生额外的热损耗。由于这些设备的充电功率通常取自一个5V电源 (例如:一个USB端口或5V墙上适配器),因此,功率损耗会相当大。假设一个状况良好的锂离子电池于充电过程中在其3.7V的“理想电压”条件下度过了相当长的时间,那么使用线性充电元件时的效率最高可达3.7V/5V (即74%)。当电池电压低于3.7V时,功率损耗的情况将更加严重。即使在4.2V的最大浮动电压条件下 (此时,电池度过了大约1/3的充电时间),充电效率也不可能优于84%。


对于一个采用“1C”速率进行充电的1Ah电池,我们可以预计:当在充电周期的最长时段中向电池输送3.7W功率时,损失的功率将达1.3W左右。然而,需要注意的是,当电池把能量储存起来以备日后使用的时候,输送至电池的能量并未引起任何显著的温升。这就意味着:充电过程中的主要发热源是由充电器自身所产生的。牢记这一点后,在某种给定的功率级上改用开关电池充电器将具有实际意义,这可改善充电效率、减少充电器发热量并缩短充电时间。


LTC4088和LTC4098都是由凌力尔特公司推出的单节锂离子电池充电器产品实例,它们不仅提供了开关电池充电器的高效率,而且还采用了PowerPath技术。PowerPath控制是一种运用第三个节点 (即:中间节点) 的方法,旨在实现“即时接通型”操作 (当电池电压低于系统切断电压时,能够向系统供电)。只有像LTC4088和LTC4098这样的产品运用一种独特的方式将降压型DC/DC开关稳压器与线性电池充电器组合起来,从而确保了至系统负载和电池的高效功率输送。在深入研究这些器件之前,我们先了解一下过去的做法。
 
图1:采用一种开关PowerPath管理器/电池充电器来缩短电池充电时间并使手持式设备在工作时保持低温状态

传统方法:线性PowerPath
    中间节点拓扑结构并不是新东西。图2给出了线性PowerPath拓扑结构的一个例子。在该架构中,一个电流限制开关从一个输入连接器向外部负载和线性电池充电器输送功率。线性电池充电器随后从中间节点向电池供电。
 
图2:具重大固有效率局限性的传统线性PowerPath方框图

如果负载电流远低于输入电流限值 (以允许把一些电流转用于电池充电),则VOUT上的电压将几乎等于输入电源电压 (我们假设它为5V)。在这种场合中,从VIN至VOUT的路径具有极高的效率,原因是在传输元件的两端上没有产生显著的电压降。不过,需要指出的是:VOUT (约5V) 和VBAT (比如:3.5V) 之间的电压降意味着线性充电器的运行效率偏低。因此,送往负载的功率能够及时有效地到达,而送往电池的功率则无法及时有效地到达。


现在我们来看另一种情形,就是负载电流超过了输入限流设定值。此时,输入限流控制电路开始起作用,而且中间节点 (VOUT) 上的电压下降至刚好低于电池电压,从而使电池成为提供额外电流的一个电源。虽然这是一种期望的工作特性 (可确保负载电流拥有高于充电电流的优先级),但请注意:此时传输元件的效率不高,因为在输入引脚 (同样是5V) 和输出引脚之间确实存在一个很大的电压差 (现在可能约为3.5V)。


从这些例子我们可以看到:虽然线性PowerPath拓扑结构能在所有条件下执行必需的PowerPath控制功能,但是,它存在着某些固有的低效率缺陷。确切地说,当采用线性PowerPath拓扑结构时,在不同的条件下,两个线性传输元件当中的这个或那个很可能会消耗功率。在下一节中,我们将了解开关PowerPath是如何克服线性PowerPath的缺点。

新兴方法:运用开关PowerPath来实现高效率
    图3示出了线性PowerPath的一种替代方案,即:开关PowerPath。这里,一个降压型DC/DC转换器把功率从输入连接器输送至中间节点VOUT。一个线性电池充电器被连接在中间节点和电池之间,这一点和线性PowerPath是一样的。开关PowerPath与线性PowerPath的显著差异是:从VIN至VOUT的路径保持了较高的效率 (这与电压差无关),因为它是一条开关路径,而非线性路径。
 
图3:开关PowerPath方框图。与线性PowerPath相比,开关PowerPath方案的一个重要优势是:从VIN至VOUT的路径保持了较高的效率 (这与VIN/VBAT之比无关)

    那么,作为总效率的另一个重要组成部分,线性电池充电路径的效率又如何呢?VOUT和电池之间的电压降将使通过采用开关稳压器而实现的效率提升丧失殆尽。由于拥有一种被称为Bat-TrackTM的功能,因此,采用LTC4088和LTC4098时的总效率保持在很高的水平上。利用Bat-Track功能,可将开关稳压器的输出电压设置成跟踪电池电压 + 几百mV的压差。由于输出电压绝不会明显高于电池电压,因此线性电池充电器所消耗的功率一直极少。电池充电器传输元件把大部分电压控制任务托付给了开关稳压器,而只负责控制充电电流、浮动电压和电源安全监视 —— 这些都是它的强项。

基于USB的恒定功率充电
目前,许多便携式产品的一个重要特点是具备了从一个USB端口进行充电的便利。LTC4088和LTC4098具有一个独特的控制系统,该系统使得它们能够限制其输入电流消耗 (以适应那些符合USB规格的应用),并最大限度地增加可提供给负载和电池充电的功率。这两款器件不仅具有低 (100mA) 和高 (500mA) 功率USB设定值,而且还支持一个较高的1A功率设定值,以满足墙上适配器应用的需要。


对于那些采用大型电池的产品,USB电流控制会成为决定输送多少功率至电池 (用于充电) 的限制因素。当采用线性PowerPath拓扑结构时,输入和输出被限流 —— 负载电流与电池充电电流之和不能超过输入电流。在该场合中,开关PowerPath明显优于线性PowerPath。在开关PowerPath拓扑结构中,输入仍然被限流,但这仅仅限制了至负载和充电器的可用功率。这是一个很重要的区别。图4给出了一个实例,它说明了LTC4088是如何实现高达40% 的充电电流增幅 (相比于线性PowerPath设计)。
 
图4:输入功率受限时的充电电流

请注意,尽管USB电流被限制为500mA,但是,由于开关PowerPath系统具有高效率,因此充电电流可以高于500mA。于是,较高的效率不仅产生的热量极少,而且还缩短了充电时间。


与采用输出电流受控型拓扑结构 (旨在保持与USB规格的相符性) 的器件相比,LTC4088和LTC4098的输入电流受限型拓扑结构具有一项重要的优势。这是因为随着电池电压在整个充电周期中的上升,电池所消耗的有效功率也将增加 (假设电流是恒定的)。为了在输出电流受控型系统中保持与USB规格的符合性 (假设具有理想的效率),将不得不把电池充电电流限制至其功率限制值 (在最高电池电压条件下)。


例如:如欲在4.2V的电池电压条件下保持低于2.5W (5VIN•500mA) 的功率输送,则充电电流一定不得超过595mA。当电池电压很低时 (比如:3.4V),该电流限值过于保守,此时将能够输送735mA的电流,而不会违犯USB规格。专为实现与USB规格的相符性而设计的输入电流受限型器件 (例如:LTC4088和LTC4098) 使充电器能够使用该额外的可用电流。与此相反,专为与USB规格相符而设计的输出电流调整型开关充电器则必须被设置成把电池充电电流限制为高电压场合时的数值 (595mA),因而在低电池电压条件下将其切断。换句话说,输入电流受限型开关充电器始终在容许的范围内尽可能多地从输入电源吸取功率,而输出电流受控型开关充电器则并非如此。

即时接通 (低电池电量系统起动)
图5示出了开关PowerPath拓扑结构的“即时接通”功能。当电池电压非常低且系统负载未超过可用编程功率时,输出电压将被保持在3.6V左右。这可以防止系统不得不等待电池电压上升之后才能接通设备 —— 对于最终用户而言,这种被迫等待的情形是令人沮丧的。
 
图5:VOUT与BAT的关系曲线

这是备有一个去耦输出节点和电池节点 (即:三端拓扑结构) 的主要原因。在低功率模式中,该功能电路可被用于给系统供电。例如:它可能恰好提供了足以执行起动操作的功率,并向用户发出“系统正在进行充电”的指示信号。

自动负载优先级处理
在VOUT条件下输送至系统的电流和电池充电电流一起,在开关稳压器上形成了一个组合负载。如果该组合负载未超过由输入电流限制电路所设置的功率级,则开关PowerPath拓扑结构将能够恰当地提供充电电流和负载电流,不会发生任何问题。然而,如果总负载超过了可用功率,则电池充电器将自动放弃其部分或全部功率份额,以支持额外的负载。就是说:系统负载始终是优先的,而电池充电则只是伺机而行。这种算法为系统负载提供了不间断的电源。即使单单系统负载便超过了输入限制电路可提供的功率,输入电流仍然不会超过其编程限值。相反,电池充电器将完全关断,而且额外的功率将通过理想二极管从电池吸取。


当理想二极管开始起作用时,从电池至输出引脚的传导路径大约为180mΩ。如果这对于应用而言已经足够的话,则无需外部元件。然而,如果需要更大的电导,则可使用一个外部MOSFET,以对内部理想二极管提供补充。LTC4088和LTC4098均具有一个控制引脚,用于驱动可任选的外部晶体管的栅极。可以采用具30mΩ或更低电阻的晶体管,旨在起到补充内部理想二极管的作用。

全功能电池充电器
LTC4088和LTC4098都包括一个全功能电池充电器。这种电池充电器具有可编程充电电流、电池预查验 (失效电池检测和充电终止)、CC-CV (恒定电流-恒定电压) 充电、C/10充电结束检测、安全定时器终止、自动再充电和一个热敏电阻信号调理器 (用于实现适宜温度充电)。

LTC4098的改进之处
    LTC4098拥有几项LTC4088所不具备的功能。首先,它支持对一个外部高电压开关稳压器进行控制的能力 (旨在从诸如汽车电池等第二输入电源来接收功率)。LTC4098还包括一个独立的过压保护模块,该模块能够与一个外部MOSFET一起提供针对低电压 (USB/WALL) 输入的重要输入保护功能。

高电压输入控制器
    当存在第二个输入电源时,LTC4098的外部输入控制电路能够加以识别,并在该输入和USB/WALL输入被同时供电的情况下对其进行优先处理。此外,LTC4098还可与凌力尔特的许多高电压降压型开关稳压器相连,以便于采用较高电压输入 (比如:汽车电池)。运用上文所述的Bat-Track方法,辅助输入控制器命令高电压稳压器在VOUT上产生一个电压,该电压将跟踪刚好高于电池电压的电压值。同样,这种方法实现了很高的充电效率,即使在从一个相当高的电压来充电的时候也不例外。

过压保护
    LTC4098包括一个过压保护控制器,可用于保护低电压USB/WALL输入免遭无意施加的高电压或来自一个故障墙上适配器的损坏。该电路负责控制一个外部高电压N型MOSFET的栅极。通过采用一个外部晶体管 (用于实现高电压截止),保护等级将不限于LTC4098的工艺参数。相反,外部晶体管的规范将决定所提供的保护等级。

结论
    LTC4088和LTC4098是电源管理和电池充电领域中新产品的典型代表。通过把恒定输入功率限制与一个高效率开关稳压器和Bat-Track电池充电电路组合起来,这两款器件均优化了功率输送。其他的好处包括:即时接通型系统起动、自动负载优先级处理以及无与伦比的充电效率。凭借一个用于较高输入电压 (例如:汽车电池) 的辅助输入控制器和一个过压保护控制器,LTC4098较之LTC4088在功能上得到了进一步的增强。