大胆自信地提供线性充电器以前不曾提供的功能

作者：凌力尔特公司电源产品部高级产品市场工程师Steve Knoth

背景信息

开关模式电池充电器因为拓扑具有灵活性，可以给多种化学组成的电池充电，提供很高的充电效率以最大限度减少热量并实现快速充电，还可提供范围很宽的工作电压，所以可在很多应用中。然而，开关充电器也有一些缺点，包括成本相对较高、基于电感器的设计比较复杂、可能产生噪声以及解决方案占板面积比较大。另一方面，传统线性拓扑电池充电器常常因占板面积紧凑、简单和成本较低而受到重视。传统线性充电器的缺点包括：输入和电池电压范围有限；电流消耗相对较大；功耗过高；充电终止算法有限；效率相对较低(效率约为[VOUT/VIN] x100%)。由于上述优点，过去一直用开关模式充电器给新式铅酸(LA)电池、无线电源、能量收集、太阳能充电、远程传感器以及嵌入式汽车应用供电。不过，现在有机会出现一种超低电流消耗、高压线性电池充电器，这并没有一般线性充电器有关的缺点。

尖端应用需要更有效的线性充电器

能够从创新性、高压和超低静态电流线性充电器受益的一些尖端应用领域包括：

●低充电电流的密封铅酸(SLA)电池应用。SLA电池的宽温度范围对很多远程传感器/控制应用都是有益的。这类远程应用功率通常非常低，不需要快速充电，因此可以使用低充电电流，这类应用仅需要保持电池充电完成。

●就无线电源而言，充电是在非常低的功率水平上进行的，典型情况下低于100mW。

●在具备任何微型功率电源的能量收集应用中，低静态电流都是必须的，以避免与下游负载争夺电流。

●太阳能充电从太阳能电池板和电池获得电压，电压变化范围很宽。就低功率应用而言，线性充电器能够很好地工作。

●用于监视或控制的远程传感器一般用于低功率工业应用，其电池主要用于备份。因此，充电时间不重要，视具体应用的不同而不同，输入/电池电压的变化范围很宽。在这类应用中，低IQ线性充电器很适合。

●嵌入式汽车应用的输入电压 >30V，有些甚至更高。例如，起防盗威慑作用的GPS定位系统。线性充电器的典型电压为 12V 至两节串联锂离子电池电压 (典型值为7.4V)，对更高电压具备增强保护功能，因此对这类应用而言是很有用的。

新的线性充电器解决方案

显然，适合上述应用、能够解决相关问题的线性拓扑IC充电解决方案需要具备多项以下属性：

●低静态电流 ── 从功率不足/间歇性的输入电源向电池传送的能量越多，就越能降低功耗。另外，当充电已经终止、输入不存在时，低电池IQ也能延长电池寿命

●宽输入电压范围以容纳各种电源

●宽电池充电电压范围以应对多种电池组

●能够给多种化学组成的电池充电 (锂、铅酸、镍电池等)

●简便自主地工作，具备内置充电终止 (μC)

●适用于太阳能输入电源的输入电压调节

●占板面积很小且扁平解决方案

●先进的封装以提高热性能和空间效率

幸运的是，凌力尔特不久前推出的LTC4079线性电池充电器已经具备了大部份这些属性。LTC4079是一款60V、恒定电流/恒定电压250mA电池充电器，适用于多种电池化学组成，静态电流很低 (充电时仅为4μA)，其线性拓扑提供简单的无电感器设计，接受2.7V至 60V的宽输入电压范围。可用电阻编程的1.2V至60V电池充电电压范围和严格的±0.5%电压准确度以及内置可调充电终止使LTC4079适合很多电池化学组成，包括锂离子/聚合物、磷酸铁锂 (LiFePO4)、镍和铅酸化学组成。可通过一个外部电阻器在10mA至250mA范围内调节充电电流，与同类充电器不同，该器件以低充电电流保持高准确度。用为数不多的几个外部组件可以给3级铅酸电池充电，同时LTC4079相对低的充电电流使其更加适合给铅酸电池进行浮置充电。类似地，由于没有采用镍电池快速充电终止算法，因此镍电池仅能够用LTC4079进行涓流充电。应用包括嵌入式汽车和工业系统、备份电池充电、能量收集应用和基于薄膜电池的产品。

LTC4079的输入电压调节功能可将IN引脚调节至一个恒定电压，或调节为以恒定电压差高于电池电压。这些功能可用来防止电流受限电源 (例如电量不足的电池或太阳能电池板) 的输入电压急剧下降至低于欠压闭锁(UVLO)电压。在输入电压下降至设定门限的过程中，充电电流也随之下降。这种调节机制允许基于电池要求选择充电电流，同时使LTC4079能够照顾到输入电源不能按设定提供满充电电流的情况。


图1：LTC4079给7.4V锂离子电池充电的典型应用电路图

LTC4079的热量调节功能确保在无过热风险的前提下，达到规定的最大充电电流。充电可以通过C/10或内置的可调定时器终止。其他功能包括采用 NTC 热敏电阻温度合格的充电，坏电池检测，在备用状态用采样反馈电压自动再充电以使电池漏电流可以忽略不计，以及开漏CHRG引脚状态输出。一旦电池充电完毕，就每隔3秒时间通过反馈网络对电池电压采样一次，以最大限度减小电池漏电，从而延长电池运行时间。

图2显示了LTC4079的典型锂离子电池充电周期，采用了C/10充电终止。


图2：LTC4079锂离子电池充电周期

LTC4079采用扁平(0.75mm) 10引脚3mm x 3mm DFN封装，提供背面金属焊盘以实现卓越的热性能。该器件保证工作在–40℃至125℃温度范围。其主要特色包括：

●宽输入电压范围：2.7V 至 60V

●可调电池电压：1.2V 至 60V

●可调充电电流：10mA 至 250mA

●充电时静态电流很低IIN= 4μA

●停机或充电时电池漏电流超低：IBAT< 0.01μA

●自动再充电

●适合高阻抗电源的输入电压调节

●热量调节最大限度地提高输出电流，同时不会导致过热问题

●具备±0.5%准确度的恒定电压反馈

●实现温度合格充电的NTC热敏电阻器输入

●可调安全定时器

●充电状态指示

●耐热增强型10引线 (3mm x 3mm) DFN封装

太阳能充电--输入电压调节和压差调节

基于太阳能电池板的充电应用越来越多地适用于多种化学组成的电池，不过锂离子/聚合物 /磷酸铁锂以及铅酸电池在这类应用中是最流行的。LTC4079的电压调节可以毫无问题地应对这些应用情况。当采用电量不足的电池或太阳能电池板等电流受限的电源充电时，该IC可调节IN引脚上的恒定电压。这个功能可用来防止输入电压急剧下降至低于 UVLO，或者用来保持输入电源电压处于峰值功率点。在输入电压下降至所设定门限的过程中，充电电流随之下降，该门限由输入电源至EN引脚和GND之间的外部电阻分压器设定，如图3所示。


图3：设定LTC4079的输入电压调节

输入电压调节门限VIN(REG)按如下公式计算：



这种调节机制允许基于电池的要求以及根据可从充电电源获得的最大功率选择充电电流。当输入电源不能提供设定充电电流时，LTC4079自动降低充电电流。

为了在输入电源由功率不足的电源提供时防止输入电压急剧下降，LTC4079额外提供了一种方法，即压差调节 (VIN-VBAT)。如果输入电压降至接近电池电压，那么LTC4079中的压差调节环路就会随着输入电压与电池电压的压差减小而降低充电电流，以此保持输入电压高于电池电压160mV (典型值)。在上述两种调节情况下，输入电源都必须提供至少等于该器件静态电流的电流，以防止进入UVLO状态。无论何时，只要由于输入电压调节或压差调节而导致充电电流降低，充电定时器都暂停。

镍电池充电

LTC4079的设计还可以给镍电池充电。对于镍化学组成的电池[例如镍镉(NiCd)和镍氢金属(NiMH)电池]，必须考虑过充电的可能性。典型方法是以小电流在很长一段时间内进行涓流充电。既然NiCd和NiMH电池可以无限期地接受C/300充电速率，那么就可以用定时充电算法实现持续时间较短的充电。给电池充电至不超过其容量的125%是可取的。例如，可以在设定的12至14小时内以100mA充电电流给一个 1000mAh的NiMH电池充电。一旦电池达到其满容量，恒定电压调节就安全地将充电电流逐渐降至接近零。

结论

LTC4079提供了线性电池充电器以前不曾提供的功能。该器件提供宽输入电压和充电电压范围，适合多种电池化学组成和太阳能充电，充电和终止时提供超低静态电流，解决方案简单，占板面积紧凑，所有这些都使该器件能够在尖端应用中实现高性能，而在这类应用中，更加复杂的开关稳压器拓扑一度曾是惟一选择。