背景
在很多細分市場上，電池充電的實際操作涉及多種電池化學組成、電壓和電流水平。例如：隨著現有及全新電池化學組成之新型應用的不斷涌現 (太陽能應用中密封鉛酸電池 [SLA] 使用量的急劇增加便是一個例子)，工業、醫療和汽車電池充電器都持續需要更高的電壓和電流。輸入電壓、充電電壓和充電電流的組合很多，基于單個集成電路 (IC) 的現有解決方案僅能滿足其中一部分組合的要求。人們一般用 IC 和分立式組件的笨重組合來滿足大多數電壓電流組合及拓撲的要求。
目前的市場趨勢表明，人們對大容量 SLA 電池重新產生了興趣，大容量 SLA 電池不再僅用于汽車了，這勉強算是一種復興吧。從價格/功率輸出的角度來看，汽車或“為啟動供電的”SLA 電池并不算貴，可以提供短持續時間的大脈沖電流，從而非常適用于汽車和其他車輛啟動器應用。深周期鉛酸電池是另一種在工業應用中非常流行的技術。這類電池的極板比汽車電池厚，設計為放電至其滿充電量的 20%。這通常用于要求在較長時間內供電的應用，例如在叉車和高爾夫球推車等。然而，鉛酸電池對過充電非常敏感，因此小心謹慎地充電非常重要。
顯然，太陽能供電應用在增加。各種不同尺寸的太陽能電池板現在能給各種創新性應用供電，例如人行橫道標志燈、垃圾壓實機、海上航標燈等應用。在太陽能供電應用中使用的電池是一種深周期電池，除了深度放電以外，還能承受長時間重復的充電周期。這種類型的電池常見于“脫離電網” (即未與電力公司的供電網連接) 的可再生能源系統，例如太陽能或風力發電系統。
“一體化”充電器在哪里?
設計師一開始設計充電解決方案時，會遇到一些更為棘手的問題，包括高輸入電壓要求、需要給大容量電池充電、輸入電壓范圍高于和低于電池電壓范圍等。此外，更糟糕的是，有很多應用沒有專有和簡單的電池充電解決方案。這類應用的例子包括：
• 由很多節電池串聯組成的電池組 ━━ 現在沒有適用于 >4 節鋰離子電池的 IC 解決方案
• 高輸入電壓應用 – 現在沒有高于 30V 至 40V 的 IC 解決方案
• 降壓-升壓型應用和隔離式拓撲 (例如反激式配置)
由于 IC 設計的復雜性，現有電池充電控制器主要限于降壓型架構。一些現有解決方案可以給多種化學組成的電池充電，有些解決方案提供內置的終止功能。不過，直到現在，也沒有哪款充電器能提供解決上述所有問題所必需的性能。大功率電池充電器系統、便攜式儀器、配備電池的工業設備和通用充電系統都可能成為這樣一種充電器的流行應用。
一種新的 IC 解決方案
解決上述問題的 IC 充電解決方案需要擁有如果不是全部、也是很多以下特性：
• 靈活性：該解決方案必須能與各種不同的開關拓撲一起運行
• 寬輸入電壓范圍
• 寬輸出電壓范圍以滿足多個電池組的需求
• 能給多種化學組成的電池充電
• 簡單、自主工作 (無需微處理器)
• 大的輸出電流
• 占板面積小和扁平的解決方案
• 先進的封裝以改善熱性能和空間利用率
具電源通路 (PowerPath™) 控制和輸入電流限制的典型同類解決方案非常復雜，由一個 DC-DC 開關穩壓器、一個微處理器加上幾個 IC 和分立式組件組成。不過，由于凌力爾特推出了新的 LTC4000 電池充電控制器，所以現在更簡單的解決方案唾手可得了。
LTC4000
LTC4000 是一款高壓控制器和電源管理器，幾乎能將任何外部補償的 DC/DC 電源轉換成全功能電池充電器，參見圖 1。LTC4000 能驅動典型的 DC/DC 轉換器拓撲，包括降壓型、升壓型、降壓-升壓型、SEPIC 和反激式拓撲。該器件提供精確的輸入和充電電流調節，在 3V 至 60V 的寬輸入和輸出電壓范圍內工作，從而可與各種差分輸入電壓源、電池組和電池化學組成兼容。典型應用包括高功率電池充電器系統、高性能便攜式儀器、電池后備系統、配有工業電池的設備以及筆記本電腦 / 迷你型筆記本電腦。
圖 1：LTC4000 的典型應用電路
LTC4000 采用智能電源通路拓撲，當輸入功率有限時，優先向系統負載供電。LTC4000 控制兩個外部 PFET，以提供低損耗反向電流保護、電池的高效率充電和放電、以及即時接通工作，從而確保即使電池沒電或深度放電時，一插上電源插頭就有系統電源。外部檢測電阻器和精確檢測能在高效率時提供準確的電流，從而允許 LTC4000 與涵蓋毫瓦至千瓦功率范圍的轉換器一起工作。
LTC4000 的全功能控制器能給各種化學組成的電池充電，包括鋰離子 / 聚合物 / 磷酸鹽、密封鉛酸及基于鎳的電池。該器件還通過 FLT 和 CHRG 引腳提供充電狀態指示信號。該電池充電器的其他特色包括：±0.25% 的可編程浮置電壓、可選定時器或 C/X 電流終止、利用 NTC 熱敏電阻器實現的溫度合格的充電、自動再充電、面向深度放電電池的 C/10 涓流充電和壞電池檢測。
LTC4000 采用扁平 (0.75mm) 28 引腳 4mm x 5mm QFN 封裝和 28 引線 SSOP 封裝。該器件在 -40C 至 125C 的溫度范圍內工作是有保證的。其關鍵特色如下：
• 與一個 DC/DC 轉換器配對使用時，可實現一個完整的高性能電池充電器
• 寬輸入和輸出電壓范圍：3V 至 60V
• 輸入理想二極管實現低損耗反向隔離和負載共享
• 輸出理想二極管實現低損耗電源通路和與電池的負載共享
• 電源通路控制
• 在電池深度放電時即時接通工作
• 可編程輸入和充電電流：準確度為 ±1%
• 準確的可編程浮置電壓 (室溫時為 ±0.2%，隨溫度變化為 ±1%)
• 可編程 C/X 或基于定時器的充電終止
• NTC 輸入以實現在合格的溫度條件下充電
對外部 DC/DC 轉換器的全面控制
LTC4000 需要一個外部補償的開關穩壓器以構成一個完整的電池管理解決方案。系統性能將基于 LTC4000 與之配對的開關穩壓器類型的不同而變化。
LTC4000 包括 4 個不同的調節環路：輸入電流、充電電流、電池浮置電壓和輸出電壓 (A4―A7)，請看下面的方框圖。無論哪一個環路都需要 ITH 引腳上的電壓最低，以穩定控制外部 DC/DC 轉換器。輸入電流調節環路確保在穩定狀態時不超過所設定的輸入電流限制 (利用 IL 引腳上的電阻器)。充電電流調節環路確保，不超過所設定的電池充電電流限制 (利用 CL 引腳上的電阻器)。
浮置電壓調節環路可確保編程電池組電壓 (采用一個通過 BFB 從 BAT 連接至 FBG 的電阻器來設置) 不被超過。輸出電壓調節環路則用于確保編程系統輸出電壓 (采用一個通過 OFB 從 CSP 連接至 FBG 的電阻分壓器來設置) 不被超過。另外，LTC4000 還提供了輸入電流和充電電流監視引腳 (分別為 IIMON 和 IBMON 引腳)。
圖 2：LTC4000 方框圖
DC/DC CONVERTER：DC/DC 轉換器
SYSTEM LOAD：系統負載
INPUT IDEAL DIODE DRIVER：輸入理想二極管驅動器
LINEAR GATE DRIVER AND VOLTAGE CLAMP：線性柵極驅動器和電壓箝位
ENABLE CHARGING：使能充電
BATTERY IDEAL DIODE AND INSTANT-ON DRIVER：電池理想二極管和即時接通驅動器
ITH AND CC DRIVER：ITH 和 CC 驅動器
LOGIC：邏輯電路
OSCILLATOR：振蕩器
BATTERY PACK：電池組
靈活的演示電路
凌力爾特的演示電路 DC1721A-A 是一個 14.6V、5A 電池充電器和電源通路管理器，采用了輸入范圍為 6V 至 36V 的降壓-升壓型轉換器，該轉換器采用 LTC4000 / LTC3789，針對 4 節 LiFePO4 電池應用。參見圖 3 的系統方框圖。
圖 3：采用 LTC4000 / LTC3789 演示電路板系統的方框圖
Rsense-input：Rsense-輸入
DC-DC CONVERTER：DC-DC 轉換器
Rsense-charge：Rsense-充電
NOT ON THE BOARD：不在電路板上
這個演示電路板的輸出專門為 Tenergy 的 10Ahr 電池而定制。其他電壓可以通過改變外部電阻器來設定。利用微調電阻器可以準確地微調所希望的標稱電壓。設計該電路的目的是要說明在一個具智能電源通路 (PowerPath) 管理器的降壓-升壓型轉換器電池充電器中使用這些器件能獲得高性能水平、效率與小巧解決方案尺寸。
該電路以 400kHz 工作，在 6V 至 36V 的輸入電壓范圍內，產生穩定的 5A/14.6V 電池充電器輸出以及高達 6.25A 的系統輸出，適用于種類繁多的便攜式應用 (包括儀表、工業設備、電動工具和電腦)。該電路的總體占板面積為 12.4cm2 (如果僅用 LTC4000 電路，則為 3.6cm2)，從而能實現非常緊湊的解決方案 (參見圖 4)。同步整流有助于在滿負載和標稱輸入時獲得超過 96% 的效率 (參見圖 5).
圖 4：DC1721A 演示電路板照片 (實際尺寸為 5.5 英寸 × 2.85 英寸)
圖 5：DC1721A 從 VIN 至 VOUT_SYS 的效率
EFFICIENCY：效率
為了增加電路評估和仿真功能，不久將推出演示電路 DC1830，從而允許 LTC4000 電路板與采用其他兼容 DC/DC 轉換器的獨立評估電路板連接。
結論
LTC4000 是一款高壓、大電流電池充電控制器和電源通路管理器，與任何外部補償 (ITH/VC 引腳) 的 DC-DC 轉換器相結合，可構成強大的電池充電和電源管理解決方案。該器件幾乎與采用任何拓撲的開關都兼容，包括 (但不限于) 降壓型、升壓型、降壓-升壓型、SEPIC 和反激式拓撲。LTC4000 的全功能控制器可為各種化學組成的電池充電，包括鋰離子 / 聚合物 / 磷酸鹽、密封鉛酸和基于鎳的電池。LTC4000 采用緊湊、扁平 (0.75mm) 的 28 引腳 4mm x 5mm QFN 封裝，或者有引線的 28 引線 SSOP 封裝。這極大地簡化了一度非常困難的設計任務。 |
