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【世说设计】“神奇的”通用电池充电器,节约你的设计时间

2018-11-30
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设计电池充电器的第一步是从众多可用解决方案中选择电池充电器IC。为了做出明智的决定,设计团队首先必须明确定义电池参数(化学组成、电池单元数量等)和输入参数(太阳能、USB等)。然后,团队必须搜索符合输入和输出参数的充电器,比较大量的数据手册,以确定最佳解决方案。


方案选择的过程应允许团队为应用选择最佳解决方案,当然一旦设计参数发生改变,则需重新回到数据手册比较。如果可以完全跳过此步骤会怎么样呢? 如果设计人员能够专注于应用解决方案,将电池充电器 IC 视为一个黑匣子,在真正需要生成一个可行的解决方案时才放入实际的IC,那该多好啊。到那时,无论基本设计参数如何,设计人员只需要从现成产品中选取一个通用电池充电器 IC 即可。即使应用参数发生变化(输入切换、电池类型改变等),现成的电池充电器 IC 仍然适用。无需重新额外搜索数据手册。


我们通过评估两个截然不同的电池充电器来说明这个问题:

设计团队A的任务是设计一个电池充电器,该产品需要太阳能面板输入并为铅酸电池充电。充电器必须是独立的(没有微控制器),但应该具有足够的多样性,可以支持几种不同的太阳能面板型号。他们有一周的时间来完成原理图设计。



设计团队B有一个更复杂的充电器项目。他们的设计采用一个5 V USB电源,为一节锂离子电池充电,电流为1.3A,每节电池的端电压为4.1 V。他们希望在47°C以上时,每节电池的充电电压降至4 V、电流为0.5 A,并且在超过72°C时,充电停止。系统中的微控制器需要知道电池的电压、电流、温度和健康状况。他们也是只有一周的时间完成原理图设计。



事实证明,两个设计团队都可以使用相同的电池充电器IC,而且该器件可以说是两个应用的最佳选择。


好产品、小尺寸

LTC4162 35 V/3.2 A单芯片降压充电器设计简单、功能多样。LTC4162既可以独立工作,也可以与主控制器一起工作,可提供从基本到复杂的解决方案。功能齐全的I2C遥测系统让用户可以有选择性地监控电池,并可根据电池型号实现自定义充电参数。真正的最大功率点跟踪(MPPT)算法允许充电器针对任何高阻抗源(如太阳能面板)进行优化运行。充电算法根据选择的电池化学组成量身定制:锂离子、LiFePO4或铅酸。


这些功能整合在一个4mm × 5mm QFN封装中,典型解决方案的尺寸约为1cm × 2cm。


感受大功率!

千万不要因为小尺寸而小看它。即使只使用集成开关FET,LTC4162也可以支持60 W以上的充电功率。LTC4162可利用芯片温度的内部热量自监控功能调节充电电流,因此,即使在最热的环境或最小的外壳中也从来不会发生过热现象。


PowerPath™ FET(INFET和BATFET)确保系统负载(VOUT)在有输入电压(VIN)时,始终由VIN供电;如果没有VIN,则由电池供电。使用外部N通道FET能够实现低损耗路径,并且不会限制可传递到负载的电流量。




1. 适合什么样的充电器?这是两个截然不同的电池充电系统:它们可以使用同样的充电器IC吗?


2. LTC4162的应用电路非常简单,就如同一个功能齐全的开关电池充电器。


遥测和控制

虽然LTC4162可以在没有主控制器的情况下运行,但通过I2C端口仍然可以监控和控制充电的许多方面。片内遥测系统实时读取系统与电池电压和电流。可以设置各种限值和警报,在测量值满足某个可配置阈值或进入特定充电状态时通知主控制器。例如,当电池电压降至某个下限值时,常见的设计功能是进入功耗模式。但是LTC4162不需要微控制器不断轮询电池电压,而是可以进行监控,并在达到这个限值时通知主控制器。此时,主机可以关闭主负载并进入低功耗状态。


图3. LTC4162的集成遥测系统几乎可以满足任何监控和警报要求。


遥测系统还能测量电池串联电阻(BSR),将其作为电池健康状况的指标。可将BSR测量设置为自动运行,并且可以配置警报,在BSR超出自定义的上限值时通知主控制器,此时,主机可以向用户发出需要更换电池的信号。


当输入电源不可用并且系统由电池供电时,LTC4162会自动关闭遥测系统以延长电池寿命。如果仍需要测量,遥测系统可以通过I2C命令强制执行,此时,它进入速率较慢的低功耗遥测模式,每5秒测量一次。如若需要,可以随时将遥测速率设置为高速11ms/读取速率。


这里变得越来越热

LTC4162可实现温度调节型可定制充电器。对于锂基化学组成(锂离子和LiFePO4),LTC4162可采用JEITA温控充电。JEITA规范允许用户设置定制温度范围,在此温度范围中以自定义的电池充电电压和电流为电池充电。这也使设计人员可以决定电池应停止充电的高温和低温。默认的JEITA设置适用于多种电池,无需主机处理器干预,而这一功能使LTC4162能够满足任何电池的温度曲线要求。


图4. 默认的锂离子电池JEITA曲线。


类似地,对于铅酸电池而言,温度补偿算法随着温度的升高会线性降低每个充电阶段的目标电压。这些电压可以通过I2C命令进行失调设置,仅需改变热敏电阻即可修改补偿斜率。


MPPT和输入调节

为了简单起见,许多太阳能电池板的稳压电路将最大功率点电压设定为恒定值。在现实中,VMPP随光照漂移,并且部分遮挡的太阳能面板可能有多个功率峰值。通过扫描与其输入电源相连的面板的整个电压范围,LTC4162先进的最大功率点跟踪(MPPT)算法可以考虑所有变量的影响,始终能设定在最大功率点。除了偶尔扫描太阳能面板的范围外,LTC4162还对输入调节电压进行抖动调整,以不断发现VMPP的微小变化。这些功能无需自定义编程,所以无需修改充电器即可切换面板。


输入调节的优势还可延伸至太阳能面板电源以外。例如,许多USB线缆具有大量串联阻抗,这导致汲取电流时充电器输入端的电压下降。LTC4162的欠压限流功能可调节此电流,从而在输入端保持最低电压。


图5. 默认的12 V铅酸电池温度曲线。


图6. 太阳能面板全局扫描。


USB功率传输

LTC4162还兼容USB供电规范,可通过USB Type C线缆提供高达100 W的电源。LTC4162的输入电流限值可配置,以防止输入适配器过载。当输入电流达到限值时,系统负载仍然可以从输入中提取所需功率,但电池充电电流会降低,从而不会超过输入电流限值。对于USB PD而言,这意味着一个LTC4162电路可通过各种电源适配器配置供电。


低功耗运输模式

当产品需要长时间运输或存储时,I2C命令可以将LTC4162置于低功耗状态,从而将电池上的电流消耗降低至约3.5 µA。在此期间,可以选择将电路配置为切断系统负载的电源。


IC 版本

为了简化设计和文档,根据电池的化学组成、充电参数以及默认情况下是否启用MPPT,LTC4162分为不同版本。表1列出了LTC4162的所有可选版本。


表1. 18个IC版本为用户的任何应用提供最适用的器件


每个版本都引脚兼容,可以在原型设计期间与另一个版本互换。LTC4162版本之间可以互换,采用不同化学组成的电池、充电电压或输入电源的产品均可使用相同的电路,从而简化了产品创建。


为简化文档,LTC4162的数据手册基于不同的化学组成分成不同版本。锂离子、LiFePO4和铅酸电池各自有单独的数据手册。


结论

过去,设计团队成员要花一整天的时间阅读各种电池充电器、电源监视器以及太阳能调节器的数据手册,过去还需要花数小时为自定义温度调节型充电算法编写代码,并手动轮询测量以检测何时超出限值,他们现在可能只需考虑有一个通用电池充电器即可。LTC4162将会是最佳选择。


原文转自亚德诺半导体

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