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电源管理器简化锂离子电池充电过程

导读: 当输出/负载电流超过了输入电流限值或输入电源被拿掉时,一个低损耗理想二极管将从电池来提供电源。通过理想二极管(而不是把负载直接连接至电池)来给负载供电可使一个满充电电池在外部电源拿掉之前保持满充电状态。

  消费者对电池供电手持设备的小型化、低成本化以及通过接受多种输入电源来实现易用性的需求对系统设计工程师带来了诸多的挑战。利用PowerPath电池管理器系列可以有效解决这些挑战,它具有独立的自主操作特性,能够对多种电源(如汽车适配器、FIReWIRe输入、交流电适配器、USB端口和电池本身)之间的无缝切换实施高效管理。

  对于如今的电池供电手持设备的系统设计工程师来说,他们所面临的一些主要挑战包括最大限度地降低功耗、最大限度地提高效率、简化设计以及降低成本。

  现今的许多便携式电池供电电子产品可从交流电适配器、汽车适配器、USB端口或锂离子/聚合物电池获得电源。然而,对这些不同电源之间的电源路径控制进行自主管理具有极大的技术挑战性。一直以来,设计师们都试图采取“分立”的方式来完成该功能,即采用大量MOSFET、运算放大器和其他的分立元件,但其间遇到了有可能引发重大系统问题的热插拔和大涌入电流等难题。近来,即使是分立IC解决方案也需要采用多颗芯片来实现一个实用的解决方案,而集成化的电源管理器IC则能够轻易地解决这些问题。此外,IC的自主独立操作还免除了增设一个用于实现充电终止功能的外部微处理器的需要,从而进一步地简化了设计。

  当采用诸如FIReWIRe、未稳压的高电压(>5.5V)交流电适配器和汽车适配器时,适配器的电压源和手持设备中的电池之间的电压差非常大。因此,线性充电器也许不能够解决高功耗的问题,而采用开关模式拓扑结构的IC却能够改善效率,并减轻热管理问题。值得注意的是,当采用USB、锂离子/聚合物电池或输入低于5.5V的适配器来供电时,线性充电器/电源管理器是更加合适的选择。

  PowerPath控制

  具有PowerPath控制功能的器件可从USB VBUS或交流电适配器电源来为其自身供电,并对其单节锂离子电池进行充电。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总线来直接向负载供电,而不是从电池获取功率。一旦电源拿掉,则电流将通过一个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。

  PowerPath控制的特点:

  1. 从USB电源、交流电适配器或电池获得电能;

  2. 向一个与OUT引脚相连的应用电路以及一个与BAT引脚相连的电池输送功率(假设接入了一个外部电源,而不是电池);

  3. 将对电池充电电流进行调节,以确保充电电流与负载电流之和不超过已设置的USB输入电流限值;

  4. 交流电适配器电流可通过一个外部器件(例如功率肖特基二极管或FET)连接至输出(负载侧);

  5. 具备一项独特功能,即可采用由交流电适配器提供电源的输出在向负载供电的同时对电池进行充电;

  6. OUT引脚上的负载可优先获得USB输入电流。

  理想二极管

  当输出/负载电流超过了输入电流限值或输入电源被拿掉时,一个低损耗理想二极管将从电池来提供电源。通过理想二极管(而不是把负载直接连接至电池)来给负载供电可使一个满充电电池在外部电源拿掉之前保持满充电状态。一旦外部电源被移除,则输出电压下降,直到理想二极管被施加正向偏压为止。加有正向偏压的理想二极管随后将从电池向负载提供输出功率。理想二极管的正向压降远远低于传统二极管,而且其反向漏电流也更小。小幅的正向压降减少了功耗和自发热,从而延长了电池的使用寿命。

  理想二极管具有以下的特点:

  1. 当输出/负载电流超过输入电流限值或当输入电源被拿掉时,理想二极管部件将从电池来提供电源;

  2. 通过理想二极管(而不是把负载直接连接至电池)来给负载供电可使一个满充电的电池在外部电源被拿掉之前保持满充电状态,并使得器件即使在采用一个完全耗尽的电池的情况下也能够正常工作;

  3. 一旦外部电源被移除,则输出电压下降,直到理想二极管被施加正向偏压为止。被加有正向偏压的理想二极管随后将从电池向负载提供输出功率;

  4. 如果电池是仅有的可用电源或者负载电流超过了已设输入电流限值,则电池将通过一个布设于BAT和OUT引脚之间的理想二极管电路自动地向负载输送功率;

  5. 理想二极管(以及OUT引脚上的推荐电容器)使得IC能够在无需使用大的体电容器的情况下处理大的瞬变负载和交流电适配器或USB VBUS连接/断接模式;

  6. 低损耗理想二极管通过降低与电源路径有关的IR压降延长了电池的运行时间。

  凌特公司的电源管理器IC系列解决了上述的设计问题。在该领域中,实现了该功能的两款主要的新产品是LTC4085 USB电源管理器和高电压电池充电器的LTC4089源管理器。

  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。

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