对便携式设备电池保护设计所面临的挑战

背景

通过 I2C 总线传送数据的应用已经成熟，不过支持这种接口的电源管理 IC 极少。I2C 是一种简单的小带宽、短距离、两线总线，这种总线不需要芯片选择或判优逻辑。这种协议提供内置的设备寻址、一个读/写标志和一种简单的确认机制，以确认数据接收。它是一种非常简单和具有成本优势的数据串传送方法。

USB 端口也是一种传送高速数据的流行方法，这种端口已经成为便携式设备电池充电的首选方法，从而使单独的交流适配器成为可选配件。不过，采用 USB 端口充电时，有功率限制。模拟 IC 中的电源通路 （PowerPath） 充电系统拓扑消除了这些限制，从而为系统设计师和最终产品用户提供了无数好处，例如能够自主和无缝地管理多个电源，以支持系统负载和给电池充电，同时从 USB 端口抽取最大功率。这种 IC 拓扑减少了热量、使充电时间更短并提供即时接通工作。

尽管技术已经改进了，但是便携式设备的电池仍然需要保护和调理，以使它们以最佳状态运行。锂离子/聚合物电池一些潜在的有害问题包括超过浮置电压 （不恰当地终止充电周期） 、很高的充电量、以及高压和高温同时出现。

设计挑战

消费者需要短的电池充电时间，对于产品设计师来说，提高充电电流似乎是一个显然的选择。但是这引起了两个主要弊端。首先，如果用线性充电器，提高的电流导致功耗增加，而功耗转化为热量。其次，视主器件商所定模式的不同，充电器必须将从 5V USB 总线吸取的电流限制到 100mA （500mW） 或 500mA （2.5W）。在充电过程中浪费的任何功率都直接导致更长的充电周期时间和热量增加。这种对高效率充电的需求，加之电池充电器 IC 所需的高功能集成度，以及节省电路板空间和提高产品可靠性的需求，施加了极大的设计压力。

锂离子/聚合物化学组成的电池提供便携式电子设备必需的高性能，但是这些电池必须谨慎对待。例如，如果充电至比推荐的浮置电压高 100mV，那么锂离子/聚合物电池可能变得不稳定。此外，高压和高温同时存在会对电池产生有害影响，在极端情况下，可能会毁坏电池。随着便携式产品变得更加复杂，功耗提高了，从而需要容量更高的电池。大容量电池或者需要更大的充电电流，或者需要延长充电时间，以达到满容量。另外，由于 USB 兼容的电池充电对用户来说更方便，因此成为首选。不过，如前所述，这种兼容性造成了在 5V 时 500mA 电流的限制 （最大功率 2.5W），从而限制了从 USB 端口吸取的功率。所以，一个基于 USB 的电池充电器必须尽可能高效率地从 USB 端口抽取尽可能多的功率，以最大限度地减少最终产品内的任何热限制，同时向负载提供最大功率。

管理最终产品内的电源通路也是一个极大的设计挑战。在今天的电池供电型便携式电子产品中，很多可以用诸如 5V 交流适配器、USB 端口或锂离子/聚合物电池等低压电源以及高压电源供电。不过，自主管理这些不同的电源和电池之间的电源通路 （同时向负载供电） 造成了巨大的技术难题。传统上，通过使用少量 MOSFET、运算放大器和其它组件，设计师试图以分立方式实现这一功能，但是面临着热插拔、大浪涌电流和负载上高电压瞬态等难题，这可能引起大的系统可靠性问题。

除了电源通路管理，命令控制是另一个设计问题。极少有行业电源管理 IC 提供 I2C 控制功能，但是在很多新式便携式产品中，支持遥测 （双向通信和控制） 的需求在增加。迄今为止，这种功能一般都是与电源管理 IC 一起在外部实现。不过，这种趋势正在改变，因为实现方法正在得到简化。

系统设计师的主要挑战可以总结如下：

• 在高温和满充电电压情况下，最大限度地延长电池寿命和提高安全性

• 集成可编程性和遥测功能，以缩短设计和调试时间，并提高灵活性和电源管理系统的可见性

• 管理多个输入电源和电池之间的电源通路，同时向负载供电

• 最大限度地提高从 USB 端口提供的电流 （可获得 2.5W）

• 最大限度地减轻热量问题，同时快速充电

• 最大限度地提高充电效率和延长电池使用寿命

• 最大限度地减小解决方案占板面积和高度

一个简单的解决方案

满足上述电池充电器 IC 设计限制的任何解决方案都必须是紧凑、单片 IC，并具有通过I2C 总线实现的自主电源管理功能以及多种回读和可编程功能 （双向通信和控制）。这样的器件还需要保护和获得锂离子/聚合物电池的最高性能。

此外，电源通路管理器的主要目标是，不管可获得的是什么电源 （输入电源或电池），都可以用其为系统供电，同时次要目标是，在必要时给电池充电。在线性和开关拓扑中都可能看到与电源通路管理器集成的电池充电器，因为视具体充电要求的不同，这两种拓扑每一种都可能对系统有利。尽管在高效率传送系统功率方面，线性电源通路架构比电池馈送系统有优势，但是功率在线性电池充电器单元有损失，尤其是在电池电压很低的情况时 （由于输入电压和电池电压之间大的压差）。

开关模式电源通路系统的优势

基于开关模式的电源通路架构通过一个 USB 兼容的降压型开关稳压器产生一个中间总线电压，该降压型开关稳压器稳定在比电池电压略高一点的电压上，见图 1。Linear公司将这种自适应输出控制形式称为电池跟踪 （Bat-Track）。这个稳定的中间电压刚好足够高，以允许通过内部线性充电器进行恰当充电。不过，通过以这种方式跟踪电池的电压，最大限度地减少了损失在线性电池充电器中的功率，从而减少了热量，并确保最大限度地增大提供给负载的功率。这种开关架构具有平均输入电流限制，最大限度地提高了充分利用可从 USB 电源获得 2.5W 功率的能力。一个可选外部 PFET 降低了电池和负载之间的理想二极管阻抗，从而进一步减少了热量。这种架构对于具有大容量 （》1.5Ahr） 电池的系统来说是必需的。

图1 简化的开关电源通路电路

高效率充电与完全 I2C 控制相结合

LTC4099 是一个 I2C 自主控制的高效率电源管理器、锂离子/聚合物电池充电器，用于便携式 USB 供电设备，例如媒体播放器、数码相机、个人导航设备、智能电话、以及工业和医疗用手持式设备。LTC4099 的开关电源通路拓扑无缝地管理交流适配器或 USB 端口和设备电池之间的电源通路，同时优先向系统负载供电。对于汽车、Firewire 或其它高压应用而言，LTC4099 提供对一个伴随开关稳压器的电池跟踪控制，从而最大限度地提高电池充电器效率，并降低功耗。

LTC4099 提供很多其它功能。它用一个过压保护 （OVP） 电路防止偶然加在 USB 输入上的高压引起的损坏 ——用一个外部 NFET/电阻器组合提供高达 66V 的保护，见图 2。另外，LTC4099 的“即时接通”工作确保加电后系统负载供电。

图2 LTC4099 的简化方框图

该器件的理想二极管控制器可用来驱动一个可选 PFET 的栅极，从而将负载和电池之间的阻抗降至 30mΩ 或更低。

完全 I2C 控制

LTC4099 具有相当高的内置可调节性，以便通过一个简单的两线 I2C 端口控制和监视功率值和状态信息。

可通过 I2C 编程设定的参数 （能够激活）：

• 平均输入电流限制

• 充电电流

• 电池浮置电压：4.1V 或 4.2V

• 充电终止定时器：1 至 8 小时，以 1 小时为增量

• 充电终止指示电流

• 充电器禁止/重启

• 电池查验及调理电路启动

• 热调节设定点：+85℃或 +105℃

• 暂停 LDO 输入电流：500µA 或 2.5mA

通过 I2C 提供的指示/回读遥测参数：

• USB 电源存在

• 交流电源存在

• 坏电池 （预充电门限）

• 热调节中的充电器

• UVLO

• 充电器状态 （充电器 OFF、恒定电流）

• 满容量充电 （C/x）

• 热敏电阻状态 （温度故障、电池太热、电池太凉、温度过高）

快速和高效率充电

LTC4099 的全功能单节锂离子/聚合物电池充电器允许充电电流超过从 USB 端口吸取的电流，同时符合 USB 负载规范。就快速和高效率充电而言，该 IC 的开关输入级可以将从 USB 端口获得的 2.5W 功率全部转换成电流，从而可以从一个 500mA 限制的 USB 端口实现600mA 的充电电流或 700mA 的系统负载电流，见图 3。用交流适配器供电时，可获得1.5A 的充电电流。就改进安全裕度而言，可选用一个集成的过热电池查验及调理电路来降低电池电压，以防高电池温度和高电池电压同时出现。

图3 功耗比较

电池查验及调理电路

锂离子/聚合物电池如果存放在高温环境并完全充电，那么有效寿命会缩短。当电池达到热敏电阻测量的某个温度时，LTC4099 内的电池调理器电路就通过释放一些电池能量，将电池电压降至一个安全水平，以此来保护电池免受损坏。电池查验器可以通过 I2C 通道启动或禁止 （默认）。热敏电阻测量电路运用一种采样方法来实现超低功耗，以便可以启动电池查验器功能，而不会明显地增大电池放电电流。通过 I2C 端口启动时，无论是否可获得外部电源，电池查验器都工作，而且不受充电器状态影响。

结论

电池供电型产品的设计师受到以下需求的挑战：输入电源便利性和高效率数据传送以及快速充电、低功耗和 USB 兼容性，诸如高压和高温同时出现等情况可能对电池造成有害影响。同时，要求设计方案竭尽所能节省电路板空间、降低制造成本并提高产品可靠性，而性能良好的开关模式电源通路管理器 IC 将极大简化产品设计师的工作，实现最佳方案。