基于USB的恒定功率充电 - 如何应用开关PowerPath管理器来提高锂离子电池充电速度

　　基于USB的恒定功率充电

　　目前，许多便携式产品的一个重要特点是具备了从一个USB端口进行充电的便利。LTC4088和LTC4098具有一个独特的控制系统，该系统使得它们能够限制其输入电流消耗 （以适应那些符合USB规格的应用），并最大限度地增加可提供给负载和电池充电的功率。这两款器件不仅具有低 （100mA） 和高 （500mA） 功率USB设定值，而且还支持一个较高的1A功率设定值，以满足墙上适配器应用的需要。

　　对于那些采用大型电池的产品，USB电流控制会成为决定输送多少功率至电池 （用于充电） 的限制因素。当采用线性PowerPath拓扑结构时，输入和输出被限流 —— 负载电流与电池充电电流之和不能超过输入电流。在该场合中，开关PowerPath明显优于线性PowerPath。在开关PowerPath拓扑结构中，输入仍然被限流，但这仅仅限制了至负载和充电器的可用功率。这是一个很重要的区别。图4给出了一个实例，它说明了LTC4088是如何实现高达40% 的充电电流增幅 （相比于线性PowerPath设计）。

　　

　　图4：输入功率受限时的充电电流

　　请注意，尽管USB电流被限制为500mA，但是，由于开关PowerPath系统具有高效率，因此充电电流可以高于500mA。于是，较高的效率不仅产生的热量极少，而且还缩短了充电时间。

　　与采用输出电流受控型拓扑结构 （旨在保持与USB规格的相符性） 的器件相比，LTC4088和LTC4098的输入电流受限型拓扑结构具有一项重要的优势。这是因为随着电池电压在整个充电周期中的上升，电池所消耗的有效功率也将增加 （假设电流是恒定的）。为了在输出电流受控型系统中保持与USB规格的符合性 （假设具有理想的效率），将不得不把电池充电电流限制至其功率限制值 （在最高电池电压条件下）。

　　例如：如欲在4.2V的电池电压条件下保持低于2.5W （5VIN•500mA） 的功率输送，则充电电流一定不得超过595mA。当电池电压很低时 （比如：3.4V），该电流限值过于保守，此时将能够输送735mA的电流，而不会违犯USB规格。专为实现与USB规格的相符性而设计的输入电流受限型器件 （例如：LTC4088和LTC4098） 使充电器能够使用该额外的可用电流。与此相反，专为与USB规格相符而设计的输出电流调整型开关充电器则必须被设置成把电池充电电流限制为高电压场合时的数值 （595mA），因而在低电池电压条件下将其切断。换句话说，输入电流受限型开关充电器始终在容许的范围内尽可能多地从输入电源吸取功率，而输出电流受控型开关充电器则并非如此。

　　即时接通 （低电池电量系统起动）

　　图5示出了开关PowerPath拓扑结构的“即时接通”功能。当电池电压非常低且系统负载未超过可用编程功率时，输出电压将被保持在3.6V左右。这可以防止系统不得不等待电池电压上升之后才能接通设备 —— 对于最终用户而言，这种被迫等待的情形是令人沮丧的。

　　

　　图5：VOUT与BAT的关系曲线

　　这是备有一个去耦输出节点和电池节点 （即：三端拓扑结构） 的主要原因。在低功率模式中，该功能电路可被用于给系统供电。例如：它可能恰好提供了足以执行起动操作的功率，并向用户发出“系统正在进行充电”的指示信号。

　　自动负载优先级处理

　　在 VOUT条件下输送至系统的电流和电池充电电流一起，在开关稳压器上形成了一个组合负载。如果该组合负载未超过由输入电流限制电路所设置的功率级，则开关 PowerPath拓扑结构将能够恰当地提供充电电流和负载电流，不会发生任何问题。然而，如果总负载超过了可用功率，则电池充电器将自动放弃其部分或全部功率份额，以支持额外的负载。就是说：系统负载始终是优先的，而电池充电则只是伺机而行。这种算法为系统负载提供了不间断的电源。即使单单系统负载便超过了输入限制电路可提供的功率，输入电流仍然不会超过其编程限值。相反，电池充电器将完全关断，而且额外的功率将通过理想二极管从电池吸取。

　　当理想二极管开始起作用时，从电池至输出引脚的传导路径大约为180mΩ。如果这对于应用而言已经足够的话，则无需外部元件。然而，如果需要更大的电导，则可使用一个外部MOSFET，以对内部理想二极管提供补充。LTC4088和LTC4098均具有一个控制引脚，用于驱动可任选的外部晶体管的栅极。可以采用具30mΩ或更低电阻的晶体管，旨在起到补充内部理想二极管的作用。

　　全功能电池充电器

　　LTC4088和LTC4098都包括一个全功能电池充电器。这种电池充电器具有可编程充电电流、电池预查验 （失效电池检测和充电终止）、CC-CV （恒定电流-恒定电压） 充电、C/10充电结束检测、安全定时器终止、自动再充电和一个热敏电阻信号调理器 （用于实现适宜温度充电）。

　　LTC4098的改进之处

　　LTC4098拥有几项LTC4088所不具备的功能。首先，它支持对一个外部高电压开关稳压器进行控制的能力 （旨在从诸如汽车电池等第二输入电源来接收功率）。LTC4098还包括一个独立的过压保护模块，该模块能够与一个外部MOSFET一起提供针对低电压 （USB/WALL） 输入的重要输入保护功能。

　　高电压输入控制器

　　当存在第二个输入电源时，LTC4098的外部输入控制电路能够加以识别，并在该输入和USB/WALL输入被同时供电的情况下对其进行优先处理。此外，LTC4098还可与凌力尔特的许多高电压降压型开关稳压器相连，以便于采用较高电压输入 （比如：汽车电池）。运用上文所述的Bat-Track方法，辅助输入控制器命令高电压稳压器在VOUT上产生一个电压，该电压将跟踪刚好高于电池电压的电压值。同样，这种方法实现了很高的充电效率，即使在从一个相当高的电压来充电的时候也不例外。

　　过压保护

　　LTC4098包括一个过压保护控制器，可用于保护低电压USB/WALL输入免遭无意施加的高电压或来自一个故障墙上适配器的损坏。该电路负责控制一个外部高电压N型MOSFET的栅极。通过采用一个外部晶体管 （用于实现高电压截止），保护等级将不限于LTC4098的工艺参数。相反，外部晶体管的规范将决定所提供的保护等级。

　　结论

　　LTC4088和LTC4098是电源管理和电池充电领域中新产品的典型代表。通过把恒定输入功率限制与一个高效率开关稳压器和Bat-Track电池充电电路组合起来，这两款器件均优化了功率输送。其他的好处包括：即时接通型系统起动、自动负载优先级处理以及无与伦比的充电效率。凭借一个用于较高输入电压 （例如：汽车电池） 的辅助输入控制器和一个过压保护控制器，LTC4098较之LTC4088在功能上得到了进一步的增强。