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自主电源管理器简化锂离子电池充电过程

凌特公司 Steve Knoth产品行销工程师: EDN China?? 2008年09月19日 ?? 收藏0

  USB电源管理器——LTC4085

  LTC4085是一款面向便携式USB设备的单片式自主电源管理器、理想二极管控制器和独立型线性电池充电器。LTC4085具有PowerPath控制功能,可从USB VBUS或交流电适配器电源来为系统负载供电,并对单节锂离子/聚合物电池进行充电。为了与USB电流限值规格相符合,LTC4085将在系统负载电流增加时自动减小电池充电电流。为了确保一个满充电电池在连接总线时处于未被使用过的状态,该IC通过USB总线来向负载输送功率,而没有采取从电池获取功率的做法。一旦电源被拿掉,则电流将通过一个200mΩ内部低损耗理想二极管从电池流至负载,从而最大限度地减少了压降和功耗。提供了用于驱动一个可选的外部GATE PFET连接器件的板载电路,以便在应用需要的情况下把理想二极管的总阻抗降至30mΩ以下。

  LTC4085的独特功能是可检测交流电适配器的接入,并将其用作一种在向系统负载供电的同时给电池充电的备用电源。LTC4085还提供了一种在交流电适配器接入的情况下以高于USB规格容许值(100/500mA)的额定值(高达1.5A)来对电池进行充电的选项,这样便能够大幅度地提高电池的充电速度。用于充电终止的总充电时间由一个外部电阻器来设置。当充电电流减小时,充电定时器周期将自动延长,以确保电池始终处于满充电状态。额外的功能包括自动再充电、NTC热敏电阻输入、交流电适配器输入被移除时自动切换至电池、涌入电流限制、反向电流隔离、欠压闭锁和热调整。

  LTC4085的浮动电压预设为4.2V,0~85℃温度范围内的保证准确度为0.8%。充电电流可以很容易地利用一个电阻器来设置。对于电池预处理和适宜温度充电认证,将自动地以10%的编程电流对完全放电的电池进行涓流充电,直到电池电压超过2.8V为止。LTC4085应用电路如图1所示。

LTC4085应用电路

  对于像GPS导航装置、PDA、数码相机、数字照片阅读器、MP3/MP4播放机等手持设备而言,提供USB和高输入电压源以及电池充电能力具有诸多好处,例如USB电源使您拥有了不必在旅途中携带旅行装充电器的便利,可以从一个膝上型PC或其它某种具有USB端口的装置来为您的设备供电。诸如FireWire、12~24V交流电适配器或汽车车载适配器输出等高电压输入电源可提供高于USB的充电速度,并允许在更多的场所(如汽车)中进行充电,而这正是提高设备便携性的关键之一。

  便利性和高功率特点

  LTC4089和LTC4089-5是面向便携式USB设备的自主电源管理器、理想二极管控制器和独立型高电压、高效率电池充电器。为了实现高效充电,它们的开关拓扑结构可适应各种输入,包括高达36V(最大值为40V)的高电压电源(例如12V交流电适配器、汽车适配器和FireWire端口)。此外,它们还接受诸如5V适配器和USB等低电压电源。LTC4089-5具有PowerPath控制功能,可从USB总线或交流电适配器电源向设备供电,并对设备的单节锂离子电池进行充电,而且还可在采用一个电量耗尽或严重不足的电池情况下实现“即时接通”操作。LTC4089的典型应用电路如图2所示。

LTC4089的典型应用电路

  为了与USB电流限值规格相符合,LTC4089-5将在系统负载电流增加时自动减小电池充电电流。为了确保一个满充电电池在连接总线时处于满充电状态终止,该IC通过USB总线来向负载输送功率,而没有采取从电池吸取功率的做法。一旦所有的电源均被拿掉,则电流将通过一个200mΩ内部低损耗理想二极管从电池流至负载,因而最大限度地减少了压降和功耗。提供了用于驱动一个可选的外部PFET的板载电路,以便在应用需要的情况下把理想二极管的总阻抗降至30mΩ以下,从而进一步提高了工作效率。

  当LTC4089-5的电源从一个USB端口来提供时,电源管理器可实现系统负载可用功率的最大化,即增加至2.5W(500mA×5V)的满USB可用功率。而且,它将根据系统负载电流来自动地调节锂离子/聚合物电池的充电电流,旨在保持总输入电流与USB限值的一致性。

  LTC4089的开关稳压器具有BAT-Track自适应输出控制功能,该功能极大地改善了其可提供1.2A充电电流的电池充电器的效率,因为开关稳压器的输出电压自动地跟踪电池电压。LTC4089-5从高电压输入提供了一个固定的5V输出,用于对单节锂离子/聚合物电池进行充电。该电池充电器的浮动电压预设为4.2V,在0~85℃温度范围内保证准确度为1.0%。充电电流可以很容易地通过一个电阻器来设置。用于充电终止的总充电时间由一个外部电容器来设置,并提供了一个C/10充电电流检测输出。额外的功能包括自动热调整、用于适宜温度充电的NTC热敏电阻输入、电池的自动再充电、反向电流隔离和欠压闭锁。LTC4089-5采用扁平(高度仅0.75mm)的纤巧型22引脚6mm×3mm DFN封装,且保证可在-40~85℃的温度范围内正常工作。

  BAT-Track自适应输出控制

  LTC4089的BAT-Track功能是自适应输出控制的一种形式。它是电池充电器和开关稳压器的集成,这样,开关稳压器将仅产生支持电池充电器所需的足够电压,而不会产生多余的电压。对于线性电源路径产品,输入电压与电池电压之差在充电过程中被作为热量而损失掉了。

  当实现一个开关稳压器时,在转换开关的两端产生尽可能大的压降是有利的,因为它可以高效地完成(从输入吸收的电流小于输送至充电器的电流)。BAT-Track功能负责检测BAT电压,并把开关稳压器输出VOUT调节至比电池电压VBAT高300mV,从而最大限度地减少了因功率损耗所导致的发热,可对电池进行适当的充电并最大限度地降低总功耗。这极大地改善了电池充电器的效率。例如:当充电电流IBAT=600mA、VBAT=3.7V且充电器输入电压VIN=5V时,充电器的效率(采用项代入法)为:100×POUT/(POUT+PDIS)=100×(VBAT×IBAT) /(VBAT×IBAT+PDIS)=100×(VBAT×IBAT)/(VIN×IIN)=(3.7V×600mA)/(5V×600mA)=74%。

  反之,如果充电器输入电压比VBAT高300mV,则充电器的效率为:100×(VBAT×IBAT)/(VIN×IIN)=(3.7V×600mA)/((3.7V+0.3V)×600mA)=92.5%。

  这种效率差异将显著地降低功耗。而且,如果电池过度放电和VBAT下降至过低的电压值,则最小VOUT应为3.6V,以确保系统负载能够获得一个足够的电源电压。


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