許多由電池供電的裝置通常都需要各種各樣的充電電源、電池化學組成、電壓和電流。例如,隨著適合所有類型電池化學組成的新型大電池組出現,功能豐富的高階消費型、醫療、工業和汽車電池充電器電路都需要更高電壓和電流。此外,支援寬廣功率範圍的太陽能電池板也用於為各種採用可充電密封鉛酸(SLA)電池和鋰電池的創新系統供電,例如人行道訊號燈、可攜式揚聲器系統、垃圾壓實機,甚至海上浮標燈。太陽能應用中的一些鉛酸(LA)電池是深迴圈電池,除了深度放電之外,還能長時間重複充電,深海浮標就是一個很好的實例,要求具備10年使用壽命。另一個示例是離網型(即與電力公司斷開連接)可再生能源系統(如太陽能或風能發電),由於難以靠近維護,這些系統必須持久運作。

即使在非太陽能應用領域上,最近的市場趨勢也說明人們對高容量SLA電池重新產生了興趣。從成本/功率輸出的角度來看,汽車或啟動應用SLA電池的價格並不高,且可以在短時間內提供高脈衝電流,是汽車和其他汽車啟動器應用的理想選擇。嵌入式汽車應用的輸入電壓高於30V,有的甚至更高,可考慮一下具有防盜威懾作用的GPS定位系統;能夠將典型的12V輸入降至2個串聯鋰離子電池(一般7.4V)且需要提供高壓保護的線性充電器,都具有應用價值。

深迴圈鉛酸電池是另一項深受工業應用歡迎的技術。其電池板比汽車電池更厚,設計放電量可以低至總容量的20%,通常用於需要長時間連續供電的場合,如高爾夫球車。然而,與鋰離子電池一樣,鉛酸電池對過度充電很敏感,所以在充電過程中必須慎重處理。

針對眾多輸入電壓、充電電壓和充電電流組合需求,只有一小部分可採用基於電流積體電路(IC)的解決方案。其餘更複雜的組合和拓撲,通常採用的IC和離散元件組合,繁瑣累贅。直到2011年,ADI利用其頗受歡迎的雙晶片充電解決方案化解了這一市場難題,這種情況才得以改變,該解決方案由LTC4000電池充電控制器IC,以及配套的外部補償相容型DC-DC轉換器組成。

開關與線性充電器

傳統線性拓撲電池充電器IC常常因其精小的尺寸、簡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,包括輸入和電池電壓範圍有限、電流消耗量相對更高、功耗過高、充電端電極演算法有限,以及相對效率更低(效率 ~ [VOUT/VIN] × 100%)。另一方面,切換開關模式電池充電器也因其彈性的拓撲結構,多化學充電、高充電效率(產生的熱量極低,支援快速充電)、寬廣操作電壓範圍而受歡迎。但是,切換開關充電器也存在一些缺點,包括:成本相對較高,基於電感的設計更為複雜,可能會產生雜訊,解決方案尺寸較大。基於上述原因,現代鉛酸、無線電源、能量收集、太陽能充電、遠端感測器和嵌入式汽車應用通常使用高壓線性電池充電器供電。但是,現在已經有機會取得排除這些缺點、更現代化的切換開關模式充電器。

簡單的降壓電池充電器

設計人員設計充電解決方案時會面臨一些嚴峻挑戰,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。

輸入源的範圍廣泛且非常多變,但涉及電池充電系統,遇到的更複雜的問題包括:電壓範圍為5V~19V甚至更高的大功率牆式電源轉接器、24V整流AC系統、高阻抗太陽能電池板、汽車和重型卡車/Humvee電池。因此,能夠在這些系統中使用的電池化學組合數量隨之進一步增加,如鋰基(鋰離子、鋰聚合物、磷酸鐵鋰(LiFePO4))和鉛酸基,從而使設計面臨更複雜的局面。

由於IC設計的複雜性,現有的電池充電IC主要局限於採用降壓型(或降壓)或更複雜的SEPIC拓撲。在這個組合中添加太陽能充電功能,會帶來各種其他難題。最後,現有的一些解決方案為多種電池化學組成充電,一些採用板載終止方法。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:

•寬廣輸入電壓範圍;

•寬廣輸出電壓範圍,用於滿足多個電池堆疊需求;

•靈活性—能夠為多種電池化學組成充電;

•具備板載充電終止功能演算法的簡單自主操作(無需微處理器);

•高充電電流,能夠為大型高容量電池快速充電;

•太陽能充電功能;

•採用先進封裝以提高散熱性能和空間效率。

ADI幾年前開發出頗受歡迎的LTC4000電池充電控制器IC(與外部補償DC-DC轉換器配合使用,構成功能強大且彈性的2chip電池充電解決方案)之後,極大地簡化了現有的非常複雜和麻煩的解決方案。為了實現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升降壓DC-DC切換開關穩壓器或一個降壓切換開關穩壓器充電器控制器(與一個前端增壓控制器配對)、一個微處理器,以及多個IC和分立元件。主要缺點包括:操作電壓範圍有限、不具備太陽能電池板輸入功能、無法為所有電池化學組成充電,以及沒有板載充電終止功能。快速發展到現在,目前已經有一些更簡單、更精小的單晶片解決方案可用於解決這些問題。ADI提供的LTC4162和LTC4015降壓電池充電器均提供單晶片降壓充電解決方案,支援多種充電電流等級和完整的功能組。

電池充電器

LTC4162是一款高度整合、高電壓多化學組成同步單晶片降壓電池充電器和PowerPath管理器,具有板載遙測功能和可選的最大功率點追蹤(MPPT)特性。它能高效地傳輸各種輸入源(如牆式電源適配器、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,同時仍然為系統負載提供高達35V的電力。該設備提供先進的系統監控和PowerPath管理,以及電池狀況監測。雖然使用LTC4162最先進的功能需要採用主機微控制器,仍可選擇性地使用I2C埠。該產品的主要充電功能可以使用針腳綁定配置和程式設計電阻進行調整。該設備提供±5%的充電電流調節(高達3.2A)、±0.75%的充電電壓調節,支援4.5V~35V的輸入電壓範圍。適用於可攜式醫療器械、USB電源傳輸(USB-C)裝置、軍事設備、工業手持設備和加固筆記本/平板電腦等。

20190409TA71P1 圖1 LTC4162-L的典型應用電路。

LTC4162(圖1)包含一個精準的16位元類比數位轉換器(ADC),可以按照需求連續監控許多系統參數,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、模具溫度和電池串聯電阻(BSR)。所有系統參數都可以透過一個雙線I2C介面來監控,而可編程和可遮罩的警報可以確保只有感興趣的資訊才會導致中斷。該設備的主動最大功率點追蹤演算法在全域範圍內掃描輸入低壓控制回路,並選擇一個工作點,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,其內建的PowerPath拓撲去耦電池中的輸出電壓,使可攜式產品能夠在極低電池電壓條件下使用充電電源時即時啟動。LTC4162的板載充電配置針對鋰離子/聚合物、LiFePO4和鉛酸等多種電池化學組成實施了最佳化。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指南的要求,或者可以自訂。對於鉛酸電池,連續溫度曲線會根據環境溫度自動調整電池電壓。對於所有化學組成,可以採用可選的模具連接溫度調節系統,防止在受限空間或存在熱問題的應用中出現過熱。鋰離子充電能效性能參見圖2。

最後,LTC4162採用28接腳4mm × 5mm QFN封裝,配備裸露金屬焊盤,散熱性能出色。E級和I級設備能夠在-40~+125℃範圍內操作。

20190409TA71P2 圖2 採用不同數量電池時,鋰離子充電效率與輸入電壓的關係。

20190409TA71P3 圖3 12VIN、8A雙鋰離子電池降壓型電池充電器電路。

需要更高電流時怎麼辦?

LTC4015也是一款高度整合的高電壓、多化學組成、同步降壓型電池充電器,提供板載遙測功能。但是,它採用了控制器架構與離線功率FET,可以實現更高的充電電流能力(高達20A或更高,具體取決於所選的外部組件)。該元件能透過輸入源(牆式電源轉接器、太陽能電池板等)向鋰離子/聚合物、LiFePO4或鉛酸電池高效供電。它提供先進的系統監測和管理功能,包括電池庫侖計數和狀況監測。雖然使用LTC4015最先進的功能需要採用主機微控制器,仍可選擇性地使用I2C埠,該產品的主要充電功能可以使用針腳綁定配置和編程電阻進行調整。

電池充電器提供±2%的充電電流調節(高達20A)、±1.25%的充電電壓調節,支援4.5V~35V的輸入電壓範圍。適用於可攜式醫療儀器、軍事設備、電池備份應用、工業手持設備、工業照明、加固式筆記本/平板電腦、遠端動力通信和遙測系統。

LTC4015還包含一個精準的14位元ADC,以及一個高精度庫侖計數器。ADC連續監測系統的許多參數,包括輸入電壓、輸入電流、電池電壓、電池電流,並根據命令報告電池溫度和BSR。透過監測這些參數,電池充電器可以報告電池的工作狀態和充電狀態。所有的系統參數都可以透過一個雙線I2C介面來監控,而可編程和可遮罩的警報可以確保只有感興趣的資訊才會導致中斷。LTC4015的板載充電配置針對鋰離子/聚合物、LiFePO4和鉛酸等多種電池化學組成進行了最佳化。透過配置針腳,使用者可以在幾種為電池化學組成預先定義的充電演算法,以及幾種可以透過I2C調整參數的演算法之間進行選擇。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,或者自訂設定的要求。鉛酸充電能效性能參見圖4。LTC4015採用5mm × 7mm QFN封裝,配備裸露金屬焊盤,散熱性能出色。

20190409TA71P4 圖4 LTC4015的鉛酸充電效率。

節省空間、靈活、具備更高的功率級別

由於LTC4162是一個帶有整合功率MOSFET的單晶片元件,在同等功率等級下(例如,3A),它可比LTC4015節省多達50%的PCB面積。由於它們的功能相似,當輸出電流範圍為> 3.2A到20A,或高於此範圍時,應該使用LTC4015。業界中,同類IC電池充電器解決方案都不能提供同等的整合水準,也不能產生相同的功率水準。這些接近充電電流(2A到3A)的電池解決方案只適用於單一電池化學組成(鋰離子),或者電池充電電壓受到限制(最大13V),因此不能提供與LTC4162或LTC4015同等的功率水準或靈活性。此外,當考慮實現最近的競爭型單晶片式電池充電器解決方案需要用到的外部元件數量時,LTC4162能夠節省40%的PCB空間,因此更具吸引力。

大陽能充電

在MPP操作太陽能電池板有許多方法。最簡單的方法之一是透過二極體將電池連接到太陽能電池板上。這種技術依賴於將電池板的最大輸出電壓與電池相對狹窄的電壓範圍匹配。當可用功率非常低(大約低於幾十毫瓦)時,這可能是最好的方法。然而,功率水準不可能一直很低,因此,LTC4162和LTC4015採用了MPPT技術,這種技術可以根據入射光的變化來確定太陽能電池板的最大功率電壓(MPV)。當電路板電流在20年或更長的動態時間範圍內發生變化時,這個電壓可以從12V急劇變化到18V。MPPT電路演算法查找並追蹤面板電壓值,為電池提供最大的充電電流。MPPT功能不僅可以連續跟蹤最大功率點,還可以在功率曲線上選擇正確的最大功率點,從而在功率曲線上出現多個峰值時,在部分遮陽條件下增加電路板獲得的功率。在弱光狀態下,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。

結論

功能齊全而強大的全新電池充電和PowerPath管理器IC,簡化了繁複的高壓和高電流充電系統。這些元件能夠高效管理輸入源(如牆式電元轉接器、背板、太陽能電池板等)和各種電池化學組成(包括鋰離子/聚合物、LiFePO4和SLA)之間的電源分配。其簡單的解決方案和精小的外型使其能夠在前緣應用中實現高性能,而過去只有基於更複雜、更古老的切換開關調節器的拓撲(如SEPIC)才是唯一的選擇。設計中高功率電池充電器電路時,可以極大簡化設計師的工作。