使用开关电源路径管理器加快锂离子电池充电速度并减少热量

手持产品设计师竞相 打包尽可能多的“酷”功能 可以进入更小的设备。大 明亮的彩色显示屏，无线网络，无线网络， 蓝牙、GPS、相机、手机、 触摸屏、电影播放器、音乐 播放器和收音机只是其中的一小部分 当今电池的常见功能 有源的便携式设备。一 打包这么多的大问题 功能进入如此小的空间是 “酷”产品实际上必须 使用时保持凉爽。最大限度减少耗散 热量是手持设备的首要任务， 一个重要的热源是 充电器。

手持设备的一个组件具有 这些年来变化不大—— 锂离子电池。虽然容量 的今天电池增加了 几百毫安小时起 到几安培小时以适应 不断扩展的功能 一套现代便携式产品， 基本的锂离子电池技术具有 保持不变。为什么锂离子 活了这么久？无与伦比的能量 密度（质量和体积）， 高电压、低自放电、宽 可用温度范围，无内存 效果，无细胞逆转，无细胞平衡， 和低环境影响 使锂离子电池成为高性能便携式电池的首选 产品。

为今天的大电池充电， 然而，这不是一件小事。为了 以合理的金额收费 时间，他们应该在 与其容量相称的价格 并具有特定的算法。例如 为 1Ah 电池充满电 大约一个小时需要一个 充电电流的安培。如果 USB 供电 需要充电，然后只有500mA 可用的电流，使 充电时间为两小时。

高电荷的另一个问题 电流是充电过程中损失的额外热量。自充电以来 这些设备的电源通常来自 从 5V 电源，例如 USB 端口 或5V墙上适配器，功率损耗可 重要。假设健康的锂离子电池 电池花费大量时间 在3.7V的“快乐电压”下 充电，然后通过以下方式提高充电效率 线性充电元件充其量只能 为 3.7V/5V 或 74%。当电池 电压小于3.7V，损耗 更糟糕的是。即使在最大 浮动电压为4.2V，其中电池 花费约1/3的费用 时间，充电效率再好不过了 超过84%。

使用 1Ah 电池充电 “1C”速率，我们可以预期约1.3W 提供 3.7W 时会损失功率 到电池最长的部分 充电周期。但请注意， 输送到电池的能量 不会导致任何明显的温度 随着电池的存储而上升 未来使用的能量。这意味着 主要的热源 在充电过程中由 充电器本身。考虑到这一点，在 给定的功率水平是有意义的 移至开关电池充电器 为了提高充电效率，更少 充电器产生的热量和减少 充电时间。

LTC4088 和 LTC4098 都是凌力尔特的单节锂离子电池充电器示例 不仅提供高效率 开关电池充电器，但 还包括 PowerPath 技术。 PowerPath 控制是一种技术 使用第三种或中间的 节点允许即时启动操作， 为系统供电 当电池电压低于 系统截止。只有像这样的产品 LTC4088 和 LTC4098 结合一个阶跃 下行直流/直流开关稳压器 独特的线性电池充电器 确保高效电源的方式 交付到系统负载和 电池。在我们深入研究这些之前 零件，让我们来看看它是怎么回事 以前做过。

图1.通过使用切换 PowerPath 管理器/电池充电器，缩短电池充电时间并保持手持设备冷却。

老派：线性电源路径

中间节点拓扑不是 新增功能。图 2 显示了一个示例 线性 PowerPath 拓扑。在此 架构，限流开关 从输入连接器供电 外部负载和线性负载 充电器。线性电池 然后充电器从 电池的中间节点。

图2.传统线性 PowerPath 的框图，它具有明显的固有效率限制。

如果负载电流足够远 低于输入电流限值允许 一些电流被引导到电池 充电，电压在V外几乎 等于输入电源电压，让我们 比如说5V。在本例中，来自 V 的路径在到 V外非常高效，因为那里 无显著压降 传递元素。但请注意， V之间的压降外（~5V） 和 V.BAT（比如说3.5V）表示线性 充电器运行效率低下。因此 输送到负载的电力高效到达 而电力输送到 电池到达效率低下。

现在采取另一种情况，其中 负载电流超过输入 电流限制设置。这里的输入 电流限制控制接合和 中间节点的电压，V外, 降至略低于电池电压， 从而将电池作为 附加电流的来源。虽然 这是期望的行为，确保 负载电流优先于充电 当前，请注意现在效率低下 在传递元素中，因为 确实存在较大的电压差 在输入引脚之间，同样在 5V 时， 和输出引脚，现在可以 约为3.5V。

从这些例子中我们可以看到 而线性 PowerPath 拓扑 执行必要的 PowerPath 所有条件下的控制功能， 它有一些固有的低效率。 具体而言，使用线性 PowerPath 拓扑结构可能有电源 浪费在两者中的一个或另一个 各种线性刀路元件下的各种 条件。在下一节中，我们将看到 交换 PowerPath 如何避免 线性 PowerPath 的缺陷。

新学校：高效率 带开关电源路径

图 3 显示了 线性 PowerPath，一种开关 PowerPath。这里是一个降压直流/直流 转换器提供来自 中间的输入连接器 节点 V外.线性电池充电器是 从中间节点连接 到电池，如在 线性电源路径。最大的不同 从线性 PowerPath 是路径 从 V在到 V外保持相对 无论电压如何，效率都很高 区别，因为它是开关， 而不是线性路径。

图3.开关电源路径框图。与线性 PowerPath 相比，开关 PowerPath 方案的最大优势在于，从 V 开始的路径在到 V外无论 V 如何，都能保持相对较高的效率在/V.BAT率。

那么线性电池呢？ 充电路径，总效率图景的另一大部分？电压 V 之间的下降外和电池 几乎会抹去效率 开关稳压器的增益。 总效率仍然很高 LTC4088 和 LTC4098 因为 称为蝙蝠轨道的功能™.跟 蝙蝠轨道，输出电压 开关稳压器编程为 跟踪电池电压加上一些 百毫伏差异。因为 输出电压从不显著 高于电池电压，很少 线性电池的功率永远丢失 充电器。电池充电器调整元件 留下大部分电压控制 对开关稳压器的职责和 存在只是为了控制充电电流， 浮动电压和电池安全监控 — 任务 它擅长的地方。

基于USB的 恒功率充电

如今，一个重要的功能 在许多便携式产品中是 通过 USB 充电的便利性 港口。LTC4088 和 LTC4098 拥有独特的控制系统 允许他们限制输入电流 符合 USB 标准的功耗 应用，同时最大限度地提高功率 可用于负载和电池 充电。这两个设备不仅 具有低功耗和高功率 USB 设置 100mA 和 500mA，但它们也支持更高功率的 1A 设置 墙上适配器应用。

对于大电池产品， USB 电流控制可能是限制 确定多少的因素 电力输送到电池 充电。使用线性电源路径 拓扑结构，输入和输出均为电流 有限 - 负载电流之和 和电池充电电流 不能超过输入电流。在 在这种情况下，一个开关 PowerPath 具有 与线性相比具有显着优势 PowerPath.在交换电源路径中 拓扑 输入仍然是最新的 有限，但这仅限制负载和充电器的可用功率。这 是一个重要的区别。图4 示出了 LTC4088 如何 可通过线性 PowerPath 将充电电流增加多达 40% 设计。

图4.输入功率限制充电电流。

请注意，当 USB 电流 限制为500mA，有可能 充电电流将高于500mA 到高效率的开关 PowerPath 系统。因此，不仅 效率更高，产生热量少， 但它也减少了充电时间。

输入电流限制拓扑 的 LTC4088 和 LTC4098 提供 与使用的设备相比具有很大的优势 输出电流控制拓扑 以保持 USB 合规性。这是 因为随着电池电压的升高 在整个充电周期中，有效 电池消耗的电量 也上升，假设恒定电流。 为了保持 USB 合规性 在输出电流控制系统中 （假设效率完美）一 必须限制电池电量 电流到其功率限制值 最高的电池电压。

例如，保持在 2.5W 以下 +5在• 500mA）的功率输出 4.2V电池电压，充电电流 不得超过595mA。这 电流限制过于保守 当电池电压低时，说 3.4V，可以 提供 735mA 而不会违反 USB 规格。输入电流限制 专为 USB 标准（例如 LTC4088 和 LTC4098）允许充电器使用 此附加可用电流。在 相反，输出电流调节 专为 USB 设计的开关充电器 合规性必须编程为 将电池充电电流限制为 高压外壳 （595mA），因此会妨碍 它在低电池电压下。说 另一种方式，限制输入电流 开关充电器始终提取为 来自输入源的大量功率为 是允许的，而输出电流 控制一个没有。

即时启动 （低电量系统启动）

图 5 显示了瞬开即用功能 的交换电源路径拓扑。 当电池电压非常低时 并且系统负载不超过 可用的编程功率， 输出电压保持在 约3.6V。这可以防止 系统不必等待 电池电压在出现之前 打开设备 - 令人沮丧 方案到最终用户。

图5.V外与蝙蝠。

这是拥有的主要原因 解耦输出节点和电池 节点（即 3 端子拓扑）。 此功能可用于供电 系统处于低功耗模式。为 例如，它可能只是足够的功率 启动并向用户指示 系统正在充电。

自动负载优先级

输送到系统的电流 在 V外，以及电池电量 电流，在 开关稳压器。如果这结合起来 负载不超过功率水平 由输入电流限制编程 电路然后开关电源路径 拓扑结构愉快地提供电荷和 负载电流无需担心。如果 但是，总负载超过 可用电源，电池充电器 自动放弃部分或全部 其支持的力量份额 额外负载。也就是说，系统负载为 始终优先考虑和电池充电 只是机会主义地执行。 此算法提供不间断 系统负载的电源。即使 仅系统负载就超过了功率 可从输入限制电路获得，输入电流不超过 其编程限制。而是 电池充电器完全关闭 额外的功率来自 电池通过理想二极管。

当理想二极管接合时， 从电池到 输出引脚约为180mΩ。 如果这对于应用程序来说足够， 则无需外部组件 是需要的。如果电导率更高 但是，需要外部 MOSFET可用于补充 内部理想二极管。The LTC4088 和 LTC4098 都具有一个控制引脚 用于驱动选装的闸门 外部晶体管。晶体管 30mΩ或更低的电阻 用于补充内在理想 二极管。

全功能电池充电器

LTC4088 和 LTC4098 两者 包括一个功能齐全的电池充电器。 电池充电器功能 可编程充电电流，电池 通过坏细胞检测进行预处理 和端接， CC-CV 充电， C/10 充电结束检测，安全 定时器终止，自动充电 和热敏电阻信号调理器 符合温度要求的充电。

LTC4098 增强功能

LTC4098 具有一些特性： LTC4088 则不然。首先，它支持 控制外部的能力 高压开关稳压器 从第二个输入电源接收电源 这样的汽车电池。它还 包括一个独立的过压 保护模块可与外部 MOSFET 结合使用， 提供重要的输入保护 低电压 （USB/墙壁） 输入。

高压输入控制器

LTC4098 的外部输入控制 电路识别第二个输入时 供应存在并优先考虑 输入，如果它和 USB/墙面输入已通电 同时。此外， LTC4098 与一个编号的接口 凌力尔特高压 降压型开关稳压器 允许更高的电压输入，例如 作为汽车电池。使用 描述的蝙蝠跟踪技术相同 以上为辅助输入控制器 控制高压稳压器 在 V 处产生电压外那 轨道就在电池上方。再 这种技术导致高充电 即使从 相当高的电压。

过压保护

LTC4098 包括一个过压 可使用的保护控制器 保护低压 USB/墙壁 来自无意应用程序的输入 高压或故障 墙上适配器。该电路控制 外部高压的栅极 N 型场效应管。通过使用外部 用于高压隔离的晶体管， 保护级别不限于 LTC4098 的工艺参数。 而是外部的规格 晶体管确定电平 提供保护。

结论

LTC4088 和 LTC4098 代表 电源管理的新范例 和电池充电。两者都优化 通过结合恒定数提供动力 输入功率限制与高 效率开关稳压器和 蝙蝠轨道电池充电。其他 优点包括即时启动系统 启动，自动负载优先级 以及无与伦比的充电效率。 LTC4098 更进一步 带辅助输入控制器，用于 更高的输入电压（如汽车 电池）和过压保护 控制器。

审核编辑：郭婷