LTC3890和LTC4000具备用电池的60V输入DC/DC电源

作者：Victor Khasiev and Gabino Alonso

本文介绍的电路对于设计紧凑型电源非常有用，并且对于输入电源中断条件下的系统功能非常有益。所提出的解决方案可以嵌入到不间断电源系统或小型独立模块中。它可以成功地应用于工业和安全应用，天然气和石油勘探通信系统。宽输入电压范围使其非常适合汽车行业，适用于引擎盖下和驾驶室放置的电气系统。

本文的目标是描述输入电压范围为24V-60V的3.3V电源（当输入电源可用时）或从14.4电池组（当输入源不可用时）。当输入电压存在时，电源会自动为电池充电，并在充电过程中限制输入电流。

一对高电压控制器 LTC3890 和 LTC4000 可为具有极宽工作电压范围的备用电池的直流电压源提供完整的解决方案。LTC3890 的输入电压范围为 4.5V 至 60V，此外，LTC4000 还可对额定电压为 3V 至 60V 的电池充电。LTC®3890 是一款双通道、两相同步降压型 DC/DC 控制器。LTC3890 的一个优点是极低的 50μA 无负载静态电流。低静态电流和非常低的压差操作 99% 占空比使得 LTC3890 在电池供电型系统中极具价值。该解决方案采用逻辑电平 MOSFET 可减少与栅极相关的损耗并提高整体系统效率。本文介绍的电路采用一个LTC3890输出来提供固定和准确的电压，用于为客户负载供电，并采用第二个输出作为可变电压源进行电池充电，电池充电在LTC4000的控制下进行。LTC®4000 是一款专为将 DC/DC 电源（通常用作电压源）转换为电池充电器而设计的控制器。LTC®4000 是用于电池充电和电源管理的全功能控制器。它还能够限制系统输入电流并减少输入线路上的应力。在某些应用中，当电源必须同时为电池充电和功率要求苛刻的负载提供能量时，这一点非常重要。

电路说明

图1.电源框图

所建议电路的框图如图1所示，具有宽输入电压范围：从24V到60V。该电路包括以下元件：基于一个输出 LTC3890 转换器的高压 DC/DC 转换器 （HVDC）、基于 LTC4000 的实际电池充电器和基于其他输出 LTC3890 转换器的低压 DC/DC 转换器 （LVDC）。HVDC 转换器在 15V 至 22V 的输出电压范围内提供高达 10A 的电流。电池充电器在 16.8V （Vfl） 充电电压下提供 4A 的最大充电电流 （Ich）。LVDC设置为在选择NL2044智能锂离子电池组 3.3V.As 备用电池上提供2A电流。此电池组指定用于 V.MAX=16.8V， V名词=14.4 V 和 V近路=9.6V，容量6.6Ah。

图2.电源原理图

详细的电气原理图如图2所示。它基于高电压降压型开关稳压器 LTC3890。第一个输出 LTC3890 由 LTC4000 控制，并被分配用于为两个负载供电：电池充电器和 LVDC。来自 LTC4000 的控制信号优先排序，它设定 LTC3890 第一输出的电压电平以确保准确的电池充电。此输出上的电压电平不是固定的，它遵循电池充电周期。LTC3890 的第二个输出是 LVDC，它由第一个输出提供，并为负载提供固定的 3.3V。此输出的电压电平不依赖于系统电压、电池充电过程或电源 - 输入电压或电池。所提出的解决方案提供了源之间的无缝切换。

LTC4000 充电电路执行以下功能：

电池的完整充电周期。此充电周期包括：

输入二极管，用于阻止从电池到高压 DC/DC 转换器的反向电流。

断开充满电的电池与输入电压源的连接。

将整个系统的输入电流限制在编程值。此功能在带有保险丝和断路器的系统中非常重要。

电压轨的名称类似于演示电路1830A、LTC4000，后者也用于原型设计和试验板建议电路。以下是对电气导轨和动力传动系组件功能的简短描述：

V在+输入电压形式为非稳压原始电压源24V-60V。

V在高压直流输电的输入电压：Q3、Q4、L1。电流检测电阻RS1限制系统的输入电流。

V外是 HVDC 的输出，它连接到漏极 PMOS Q1，后者在 LTC4000 的 IGATE 控制下用作理想二极管。Q1 在 V 时关闭在电压切断，使 HVDC 与电池组断开。

V系统外电源轨起源于源PMOS Q1，它在充电和LVDC期间为电池供电。

PMOS Q2 是 LTC4000 PowerPath 的一部分™控制器。LVDC 由 V 提供系统外导轨和它为终端负载提供电力，Q5，Q6，L2构成该转换器的动力传动系。

共阴极二极管 D1 可保护 LTC3782 上的输入电压或电池偏置。

电路功能

当施加输入电压时，它会激活HVDC和电池充电器。LTC3890 开始在 V 上斜坡上升电压外轨。V的崛起外由 TRACK/SS2 引脚上的电压电平控制，直到该引脚上的电压达到 0.8V。此时，LTC4000 电池充电器处于活动状态，并开始控制 V外和 V系统外电平通过其自身的 ITH 引脚进行电平，该引脚硬连接到 LTC3890 ITH2 引脚。HVDC 输出电压 （以及 LTC3890 VFB2 引脚上的相应反馈信号） 被设定得高于电池浮动 （或制造推荐的充电电压）。这确保了在正常工作条件下，只有 LTC4000 电池充电器调节输出，而不是 LTC3890 降压型控制器。LTC3890 IC 在 LTC4000 的控制下控制开关 NMOS Q1 和 Q2。由于 LTC3890 的电压设置超过了 LTC4000 设定的实际 （浮动） 电压，因此 LTC3890 的误差放大器 （EA） 正在源出电流，试图增加其 ITH 引脚上的电压。反过来，LTC4000 吸收电流，使 ITH 电压保持调节状态。浮动电压由电阻分压器 RB1、RB2 设置。

如果电池电压降至浮点值以下，则 LTC4000 将分析电池的状况。如果电池未短路或过度放电，则向电池提供编程的充电电流。充电电流值由电流检测电阻 RS2 和电阻 RCL 设置。LTC4000 负责调节充电电流，直到电池电压达到浮动值。一旦电池电压达到浮动值，LTC4000 就会从恒定电流模式切换到恒定电压模式，从而在充电过程中提供恒定电压。随着充电周期的进行，充电电流值逐渐减小，见图5。在图2原理图中，TMR引脚连接到BIAS节点，这意味着一旦充电电流降低到编程的C/X值，充电周期将终止。

LTC4000 还监视输入电流值。如果输入电流水平超过编程值，LTC4000 将减小充电电流和电压，从而使连接至 LVDC 的负载能够不间断地工作。输入电流限值由电流检测电阻 RS1 和 RIL（未显示）设置。

当充电电流降至C/X设定限值以下时，电池与充电电路断开连接，PMOS Q2关闭。此时，LTC4000 调节高于浮动值的输出电压，以确保 Q2 的体二极管被反向偏置，并且电流不会从电池流向负载。

电路描述和设置两个控制器

本文中用于充放电的电池为NL2044HD22。这是一个锂离子电池组，结合了十二个18650尺寸的电池，组装成（4S3P）配置。电池制造商建议 16.8V ± 50mV 充电电压和 4A 最大充电电流。

设置 LTC4000

电池浮动电压设置，BFB 引脚。注意：FBG引脚是连接到BFB和OFB引脚的电阻分压器的接地回路引脚。假设RB1为499k，则RB2计算为36.5k，以提供16.8V的浮动电压。电池输出电压设置，OFB 引脚。通过分别选择 RO1 和 RO2 为 499k 和 35.7k，将此电压设置为 18V。

电阻 RS1，引脚 CSP 和 CSN，选择 12 mΩ，将充电电流限值设置为 4.1A。

电阻RCL设置为19.1k，它将电池充电电流设置为4.0A。

电阻RS2、引脚输入和CLN，选择为5 mΩ，将输入电流限值设置为10.0A。

电阻 RCX 选择为 21.0k。它通过使用 LTC4000 产品手册中的相应公式来编程将终止电流充电至 0.4A。

引脚IL保持开路，其最大电压为50 mV，可用于检测输入电流。

Q1 和 Q2 选择相同的 30V Si7135DP PMOS。

有关充电电路组件选择的详细说明和建议，请参见 LTC4000 的产品手册。

设置 LTC3890

LTC3890控制器有四种不同的版本（LTC3890、-1、-2和-3），LTC3890-3数据手册表1描述了版本之间的差异。在此解决方案中，选择了 LTC3890-3 控制器：在发生过压时，它不会永久接通底部 MOSFET，这在电池供电型应用中非常重要。但是，如果需要特定功能且很重要，则可以使用四个 LTC3890 版本中的任何一个。

LTC3890 的 OUT2（“电池输入”总线）由分压器 RF1、RF2 设定至 22V，但是，如上所述，实际输出电压永远不会爬升那么高。开关频率通过选择 37.4k 电阻器设置为 200kHz。电阻分压器 RO1 和 RO2 设置 V输出1至 3.3V

对于动力传动系组件的选择，可以使用LTC3890-3数据表，以及LTspice和LTpowerCAD仿真和设计工具。

高压直流输电功率预算和变流器组件选择

高压直流输电功率预算（P高压直流输电） 结合了为电池充电所需的功率 P.BAT 以及低压DC/DC转换器的功率，P低压直流, V负荷， 我负荷.LVDC向负载输送的功率由标称电池电压Vnom定义。假设该电压将在最大电流和负载下存在

P高压直流输电= （P.BAT+ P低压直流/ ηl） / ηh;P高压直流输电= （Vnom * Ich + V负荷 + h负荷 / ηl） / ηh

其中 ηl 和 ηh 是 LVDC 和 HVDC 转换器的效率

电路性能

图3.输入源切换， 0.5V/格
通道 4， 红色电池电流
通道 3， 紫色， 输入电压 通道 2， 绿色， 负载电压
3.3V （2A）

图3显示了从输入电压到电池的负载电源的无缝切换。通道4（红色迹线）显示电池电流。当输入电压存在时，在充电过程中，电池正在吸收电流。一旦输入电压断开，电池就会提供电流（放电）。LVDC的输出，通道2（绿色走线），不改变电路，无论电源如何，都能安全地为负载提供3.3V/2.0A。

菲尔古雷 4.电源效率与输入电压的关系，Ich 4.0A，对流风冷

效率曲线如图4所示。测量是在4.0A的恒定充电电流和16.8V的恒定浮动电压下进行的，对流空气冷却（无强制气流）。该充电器在97%的面积上表现出非常高的效率。

图5.电源充电电压和电流与时间的关系

充电过程中的充电电流和电池电压变化如图5所示。

结论

LTC®3890 和 LTC4000 是一款高度集成、高电压、高性能控制器。可以基于这两种设备设计带备用电池的多功能电源。本文提供了该电源的框图、详细的电气原理图和计算指南。

LTC®3890-3 是一款高性能双通道降压型开关稳压器 DC/DC 控制器，用于驱动所有 N 沟道同步功率 MOSFET 级。恒定频率电流模式架构允许高达 850kHz 的可锁相频率。通过异相操作两个控制器输出级，可将功率损耗和电源噪声降至最低。50μA 的空载静态电流延长了电池供电型系统的使用寿命。OPTI-LOOP 补偿允许在很宽的输出电容和 ESR 值范围内优化瞬态响应。4V 至 60V 的宽输入电源范围包括各种中间总线电压和电池化学组成。每个控制器的独立 TRACK/SS 引脚在启动期间使输出电压斜坡上升。电流模式控制限制短路条件下的电感电流。PLLIN/MODE 引脚在轻负载时可选择突发模式操作、脉冲跳跃模式或连续导通模式。有关具有不同和/或附加功能的版本，请参见LTC3890数据手册表1。

LTC®4000 是一款高电压、高性能控制器，可将许多外部补偿型 DC/DC 电源转换为全功能电池充电器。LTC4000 的电池充电器的特性包括：准确的 （±0.25%） 可编程浮动电压、可选的定时器或电流终止、采用一个 NTC 热敏电阻进行符合温度要求的充电、自动再充电、用于深度放电电池的 C/10 涓流充电、不良电池检测和状态指示器输出。电池充电器还包括精密电流检测功能，可为高电流应用提供较低的检测电压。LTC4000 支持智能 PowerPath 控制。一个外部 PFET 提供低损耗反向电流保护。另一个外部PFET提供电池的低损耗充电或放电。第二个PFET还具有即时启动功能，即使连接到严重放电或短路故障的电池，也能提供即时下游系统电源。

审核编辑：郭婷