高压、大电流控制器实现多种拓扑mW至kW电池充电

背景

在很多细分市场上，电池充电的实际操作涉及多种电池化学组成、电压和电流水平。例如：随着现有及全新电池化学组成之新型应用的不断涌现 (太阳能应用中密封铅酸电池 [SLA] 使用量的急剧增加便是一个例子)，工业、医疗和汽车电池充电器都持续需要更高的电压和电流。输入电压、充电电压和充电电流的组合很多，基于单个集成电路 (IC) 的现有解决方案仅能满足其中一部分组合的要求。人们一般用 IC 和分立式组件的笨重组合来满足大多数电压电流组合及拓扑的要求。

目前的市场趋势表明，人们对大容量 SLA 电池重新产生了兴趣，大容量 SLA 电池不再仅用于汽车了，这勉强算是一种复兴吧。从价格/功率输出的角度来看，汽车或“为启动供电的”SLA 电池并不算贵，可以提供短持续时间的大脉冲电流，从而非常适用于汽车和其他车辆启动器应用。深周期铅酸电池是另一种在工业应用中非常流行的技术。这类电池的极板比汽车电池厚，设计为放电至其满充电量的 20%。这通常用于要求在较长时间内供电的应用，例如在叉车和高尔夫球推车等。然而，铅酸电池对过充电非常敏感，因此小心谨慎地充电非常重要。

显然，太阳能供电应用在增加。各种不同尺寸的太阳能电池板现在能给各种创新性应用供电，例如人行横道标志灯、垃圾压实机、海上航标灯等应用。在太阳能供电应用中使用的电池是一种深周期电池，除了深度放电以外，还能承受长时间重复的充电周期。这种类型的电池常见于“脱离电网” (即未与电力公司的供电网连接) 的可再生能源系统，例如太阳能或风力发电系统。

“一体化”充电器在哪里

设计师一开始设计充电解决方案时，会遇到一些更为棘手的问题，包括高输入电压要求、需要给大容量电池充电、输入电压范围高于和低于电池电压范围等。此外，更糟糕的是，有很多应用没有专有和简单的电池充电解决方案。这类应用的例子包括：

• 由很多节电池串联组成的电池组 ━━ 现在没有适用于 >4 节锂离子电池的 IC 解决方案
• 高输入电压应用 – 现在没有高于 30V 至 40V 的 IC 解决方案
• 降压-升压型应用和隔离式拓扑 (例如反激式配置)

由于 IC 设计的复杂性，现有电池充电控制器主要限于降压型架构。一些现有解决方案可以给多种化学组成的电池充电，有些解决方案提供内置的终止功能。不过，直到现在，也没有哪款充电器能提供解决上述所有问题所必需的性能。大功率电池充电器系统、便携式仪器、配备电池的工业设备和通用充电系统都可能成为这样一种充电器的流行应用。

一种新的 IC 解决方案

解决上述问题的 IC 充电解决方案需要拥有如果不是全部、也是很多以下特性：

• 灵活性：该解决方案必须能与各种不同的开关拓扑一起运行
• 宽输入电压范围
• 宽输出电压范围以满足多个电池组的需求
• 能给多种化学组成的电池充电
• 简单、自主工作 (无需微处理器)
• 大的输出电流
• 占板面积小和扁平的解决方案
• 先进的封装以改善热性能和空间利用率

具电源通路 (PowerPath™) 控制和输入电流限制的典型同类解决方案非常复杂，由一个 DC-DC 开关稳压器、一个微处理器加上几个 IC 和分立式组件组成。不过，由于凌力尔特推出了新的 LTC4000 电池充电控制器，所以现在更简单的解决方案唾手可得了。

LTC4000

LTC4000 是一款高压控制器和电源管理器，几乎能将任何外部补偿的 DC/DC 电源转换成全功能电池充电器，参见图 1。LTC4000 能驱动典型的 DC/DC 转换器拓扑，包括降压型、升压型、降压-升压型、SEPIC 和反激式拓扑。该器件提供精确的输入和充电电流调节，在 3V 至 60V 的宽输入和输出电压范围内工作，从而可与各种差分输入电压源、电池组和电池化学组成兼容。典型应用包括高功率电池充电器系统、高性能便携式仪器、电池后备系统、配有工业电池的设备以及笔记本电脑 / 迷你型笔记本电脑。　　

 

LTC4000 采用智能电源通路拓扑，当输入功率有限时，优先向系统负载供电。LTC4000 控制两个外部 PFET，以提供低损耗反向电流保护、电池的高效率充电和放电、以及即时接通工作，从而确保即使电池没电或深度放电时，一插上电源插头就有系统电源。外部检测电阻器和精确检测能在高效率时提供准确的电流，从而允许 LTC4000 与涵盖毫瓦至千瓦功率范围的转换器一起工作。

LTC4000 的全功能控制器能给各种化学组成的电池充电，包括锂离子 / 聚合物 / 磷酸盐、密封铅酸及基于镍的电池。该器件还通过 FLT 和 CHRG 引脚提供充电状态指示信号。该电池充电器的其他特色包括：±0.25% 的可编程浮置电压、可选定时器或 C/X 电流终止、利用 NTC 热敏电阻器实现的温度合格的充电、自动再充电、面向深度放电电池的 C/10 涓流充电和坏电池检测。

LTC4000 采用扁平 (0.75mm) 28 引脚 4mm x 5mm QFN 封装和 28 引线 SSOP 封装。该器件在 -40°C 至 125°C 的温度范围内工作是有保证的。其关键特色如下：

• 与一个 DC/DC 转换器配对使用时，可实现一个完整的高性能电池充电器
• 宽输入和输出电压范围：3V 至 60V
• 输入理想二极管实现低损耗反向隔离和负载共享
• 输出理想二极管实现低损耗电源通路和与电池的负载共享
• 电源通路控制
• 在电池深度放电时即时接通工作
• 可编程输入和充电电流：准确度为 ±1%
• 准确的可编程浮置电压 (室温时为 ±0.2%，随温度变化为 ±1%)
• 可编程 C/X 或基于定时器的充电终止
• NTC 输入以实现在合格的温度条件下充电

对外部 DC/DC 转换器的全面控制

LTC4000 需要一个外部补偿的开关稳压器以构成一个完整的电池管理解决方案。系统性能将基于 LTC4000 与之配对的开关稳压器类型的不同而变化。

LTC4000 包括 4 个不同的调节环路：输入电流、充电电流、电池浮置电压和输出电压 (A4―A7)，请看下面的方框图。无论哪一个环路都需要 ITH 引脚上的电压最低，以稳定控制外部 DC/DC 转换器。输入电流调节环路确保在稳定状态时不超过所设定的输入电流限制 (利用 IL 引脚上的电阻器)。充电电流调节环路确保，不超过所设定的电池充电电流限制 (利用 CL 引脚上的电阻器)。

浮置电压调节环路可确保编程电池组电压 (采用一个通过 BFB 从 BAT 连接至 FBG 的电阻器来设置) 不被超过。输出电压调节环路则用于确保编程系统输出电压 (采用一个通过 OFB 从 CSP 连接至 FBG 的电阻分压器来设置) 不被超过。另外，LTC4000 还提供了输入电流和充电电流监视引脚 (分别为 IIMON 和 IBMON 引脚)。 

灵活的演示电路

凌力尔特的演示电路 DC1721A-A 是一个 14.6V、5A 电池充电器和电源通路管理器，采用了输入范围为 6V 至 36V 的降压-升压型转换器，该转换器采用 LTC4000 / LTC3789，针对 4 节 LiFePO4 电池应用。参见图 3 的系统方框图。　　

 

这个演示电路板的输出专门为 Tenergy 的 10Ahr 电池而定制。其他电压可以通过改变外部电阻器来设定。利用微调电阻器可以准确地微调所希望的标称电压。设计该电路的目的是要说明在一个具智能电源通路 (PowerPath) 管理器的降压-升压型转换器电池充电器中使用这些器件能获得高性能水平、效率与小巧解决方案尺寸。

该电路以 400kHz 工作，在 6V 至 36V 的输入电压范围内，产生稳定的 5A/14.6V 电池充电器输出以及高达 6.25A 的系统输出，适用于种类繁多的便携式应用 (包括仪表、工业设备、电动工具和电脑)。该电路的总体占板面积为 12.4cm2 (如果仅用 LTC4000 电路，则为 3.6cm2)，从而能实现非常紧凑的解决方案 (参见图 4)。同步整流有助于在满负载和标称输入时获得超过 96% 的效率 (参见图 5).　　

　　

 

为了增加电路评估和仿真功能，不久将推出演示电路 DC1830，从而允许 LTC4000 电路板与采用其他兼容 DC/DC 转换器的独立评估电路板连接。

结论

LTC4000 是一款高压、大电流电池充电控制器和电源通路管理器，与任何外部补偿 (ITH/VC 引脚) 的 DC-DC 转换器相结合，可构成强大的电池充电和电源管理解决方案。该器件几乎与采用任何拓扑的开关都兼容，包括 (但不限于) 降压型、升压型、降压-升压型、SEPIC 和反激式拓扑。LTC4000 的全功能控制器可为各种化学组成的电池充电，包括锂离子 / 聚合物 / 磷酸盐、密封铅酸和基于镍的电池。LTC4000 采用紧凑、扁平 (0.75mm) 的 28 引脚 4mm x 5mm QFN 封装，或者有引线的 28 引线 SSOP 封装。这极大地简化了一度非常困难的设计任务。