适用于任何化学成分的简单电池充电器IC
许多电池供电设备通常需要各种各样的充电源、电池化学成分、电压和电流。例如，工业、高端、功能丰富的消费类、医疗和汽车电池充电器电路需要更高的电压和电流，因为所有类型的电池化学成分都出现了更新的大型电池组。此外，具有广泛功率水平的太阳能电池板正被用于为包含可充电密封铅酸（sla）和锂基电池的各种创新系统供电。示例包括人行横道标志灯、便携式扬声器系统、垃圾压实机，甚至船用浮标灯。此外，在太阳能应用中发现的一些铅酸（la）电池是深循环电池，除了深度放电外，还能够在长时间的重复充电循环中存活下来。一个很好的例子是深海海洋浮标，其中10年的部署寿命是先决条件。另一个例子是离网（即与电力公司断开连接）可再生能源系统，例如太阳能或风能发电，由于接近访问困难，系统正常运行时间至关重要。
即使在非太阳能应用中，最近的市场趋势也意味着人们对高容量sla电池重新产生了兴趣。从成本/功率输出的角度来看，汽车或启动sla电池价格低廉，并且可以在短时间内提供高脉冲电流，使其成为汽车和其他车辆启动器应用的绝佳选择。嵌入式汽车应用的输入电压>30 v，有些甚至更高。考虑使用gps定位系统作为防盗威慑;具有典型12 v输入降压至2串锂离子电池（典型值为7.4 v）且需要保护更高电压的线性充电器对于此应用可能很有价值。深循环la电池是工业应用中流行的另一种技术。它们的极板比汽车电池厚，设计放电至其总容量的 20%。它们通常用于需要较长时间常数的电力的地方，例如叉车和高尔夫球车。然而，与锂离子电池一样，la 电池对过度充电很敏感，因此在充电周期中仔细处理非常重要。
基于电流集成电路 （ic） 的解决方案仅涵盖输入电压、充电电压和充电电流的众多可能组合中的一小部分。ic和分立元件的繁琐组合通常用于覆盖其余大多数更困难的组合和拓扑。直到2011年，adi公司才通过其广受欢迎的2芯片充电解决方案解决并简化了这一市场应用领域，该解决方案由ltc4000电池充电控制器ic与兼容的外部补偿dc-dc转换器配合使用。
开关充电器与线性充电器
传统的线性拓扑电池充电器ic通常因其紧凑的尺寸、简单性和低成本而受到重视。然而，这些线性充电器的缺点包括输入和电池电压范围有限、相对电流消耗较高、功耗过大、充电终止算法有限以及相对效率较低（效率 ~ [vout/vin] × 100%）。另一方面，开关模式电池充电器也是受欢迎的选择，因为它们具有灵活的拓扑结构、多化学充电、高充电效率（最大限度地减少热量以实现快速充电时间）和宽工作电压范围。然而，开关充电器的一些缺点包括成本相对较高、基于电感器的设计更为复杂、潜在的噪声产生和更大的尺寸解决方案。由于上述原因，现代洛杉矶、无线电源、能量收集、太阳能充电、远程传感器和嵌入式汽车应用通常由高压线性电池充电器供电。然而，更现代的开关模式充电器存在一个机会，可以消除相关的缺点。
简单的降压电池充电器
设计人员在开始采用充电解决方案时面临的一些更严峻的挑战是，输入源范围广，电池种类繁多，电池容量大，需要充电，输入电压高。
输入源既宽又可变，但处理电池充电系统的一些更复杂的输入源是：电压范围为 5 v 至 19 v 及以上的高功率壁式适配器、整流 24 v 交流系统、高阻抗太阳能电池板、汽车和重型卡车/悍马电池。因此，这些系统中可能的电池化学成分组合 - 锂基（锂离子，锂聚合物，磷酸铁锂（lifepo4））和la基 - 进一步增加了排列，从而使设计更加艰巨。
由于ic设计的复杂性，现有的电池充电ic主要限于降压（或降压）或更复杂的sepic拓扑。将太阳能充电功能添加到这种组合中，您将打开各种其他复杂性。最后，一些现有解决方案为多种电池化学成分充电，一些则采用板载端接。然而，到目前为止，还没有一个ic充电器提供解决这些问题所需的所有性能特性。
功能丰富的新型紧凑型充电器
解决上述问题的降压ic充电解决方案需要具备以下大部分属性：
宽输入电压范围
宽输出电压范围，可满足多个电池组的需求
灵活性 — 能够为多种电池化学成分充电
采用板载充电终止算法的简单自主操作（无需微处理器）
用于快速充电、大型、高容量电池的高充电电流
太阳能充电能力
先进的封装，可提高热性能和空间效率
几年前，当adi公司开发广受欢迎的ltc4000电池充电控制器ic（与外部补偿dc-dc转换器配合使用，形成功能强大且灵活的2芯片电池充电解决方案）时，它大大简化了现有的解决方案，该解决方案相当复杂和繁琐。启用 powerpath 的步骤唰唰��控制、升压/降压功能和输入电流限制解决方案包括一个降压-升压dc-dc开关稳压器或一个降压开关稳压器充电器控制器，与前端升压控制器、一个微处理器以及多个ic和分立元件组成。主要缺点包括工作电压范围有限、没有太阳能电池板输入能力、无法为所有电池化学成分充电以及没有板载充电终止。快进到现在，现在可以使用一些更简单，更紧凑的单片解决方案来解决这些问题。adi公司的ltc4162和ltc4015降压电池充电器均提供单芯片降压充电解决方案，具有不同的充电电流水平和完整的功能集。
ltc4162 电池充电器
ltc®4162 是一款高度集成的高电压、高电压多化学同步单片式降压型电池充电器和 powerpath 管理器，具有板载遥测功能和可选的最大功率点跟踪 （mppt）。它有效地从各种输入源（如墙上适配器、背板和太阳能电池板）传输电源，为锂离子/聚合物、lifepo4 或 la 电池组充电，同时仍为高达 35 v 的系统负载供电。该器件提供了高级系统监控和 powerpath 管理，以及电池运行状况监控。虽然需要一个主机微控制器来访问ltc4162的最高级功能，但使用i2c 端口是可选的。该产品的主要充电特性可通过引脚连接配置和编程电阻进行调整。该器件提供高达 3.2 a 的精密 ±5% 充电电流调节、±0.75% 充电电压调节，并在 4.5 v 至 35 v 输入电压范围内工作。应用包括便携式医疗器械、usb 供电 （usb-c） 设备、军事设备、工业手持设备和坚固耐用的笔记本电脑/平板电脑。
图1.ltc4162-l 的典型应用电路。
ltc4162 （参见图 1） 包含一个准确的 16 位模数转换器 （adc），可根据命令连续监视众多系统参数，包括输入电压、输入电流、电池电压、电池电流、输出电压、电池温度、管芯温度和电池串联电阻 （bsr）。所有系统参数均可通过双线i进行监控2c 接口，而可编程和可屏蔽的警报确保只有感兴趣的信息会导致中断。该器件的有源最大功率点跟踪算法全局扫描输入欠压控制环路，并选择工作点，以最大限度地从太阳能电池板和其他电阻源中提取功率。此外，其内置的 powerpath 拓扑可将输出电压与电池分离，从而允许便携式产品在非常低的电池电压条件下使用充电电源时立即启动。ltc4162 的内置充电曲线针对多种电池化学组成进行了优化，包括锂离子 / 聚合物、lifepo4 和 la。充电电压和充电电流都可以根据电池温度自动调节，以符合jeita指南或定制。对于la，连续温度曲线根据环境温度自动调整电池电压。对于所有化学品，都可以使用可选的芯片结温度调节系统，防止在空间受限或热挑战应用中过度加热。有关锂离子充电效率性能，请参见图2。
最后，ltc4162采用28引脚、4 mm×5 mm qfn封装，具有裸露金属焊盘，以实现出色的热性能。e 级和 i 级器件保证工作温度范围为 –40°c 至 +125°c。
图2.锂离子电池充电效率与输入电压（按电池数量）
如果需要更高的电流怎么办？
ltc®4015 还是一款具有内置遥测功能的高度集成、高电压、多化学反应、同步降压型电池充电器。但是，它采用带有板外功率 fet 的控制器架构，可实现更高的充电电流能力（高达 20 a 或更高，具体取决于所选的外部组件）。该器件可从输入源（墙上适配器、太阳能电池板等）高效地向锂离子/聚合物、lifepo4 或 la 电池供电。它提供高级系统监控和管理功能，包括电池库仑计数和健康监控。虽然需要主机微控制器来访问ltc4015的最高级功能，但使用其 i2c 端口是可选的。该产品的主要充电特性可通过引脚连接配置和编程电阻进行调整。
图3.12 v在至 2 节锂离子电池 8 a 降压电池充电器电路。
ltc4015提供高达20 a的精密±2%充电电流调节、±1.25%充电电压调节，并在4.5 v至35 v输入电压范围内工作。应用包括便携式医疗器械、军事设备、电池备份应用、工业手持设备、工业照明、加固型笔记本电脑/平板电脑以及远程供电通信和遥测系统。
ltc4015 还内置一个准确的 14 位模数转换器 （adc） 以及一个高精度库仑计数器。adc持续监控众多系统参数，包括输入电压、输入电流、电池电压、电池电流，并根据命令报告电池温度和电池串联电阻（bsr）。通过监视这些参数，ltc4015 可以报告电池的健康状态及其充电状态。所有系统参数均可通过双线i进行监控2c 接口，同时可编程和可屏蔽警报确保只有感兴趣的信息会导致中断。ltc4015 的内置充电曲线针对各种电池化学成分（包括锂离子 / 聚合物、lifepo4 和 la）中的每一种进行了优化。配置引脚允许用户在每种电池化学成分的几种预定义充电算法以及可通过i调整参数的几种算法之间进行选择2c. 充电电压和充电电流都可以根据电池温度自动调整，以符合jeita指南，甚至自定义设置。铅酸充电效率性能见图4。ltc4015采用5 mm×7 mm qfn封装，具有裸露金属焊盘，可实现出色的热性能。
图4.采用 ltc4015 的铅酸充电效率。
节省空间、灵活性和更高的功率水平
在相同的功率电平（例如 3 a）下，由于 ltc4162 是一款集成功率 mosfet 的单片式器件，因此与 ltc4015 相比，它可以节省高达 50% 的 pcb 面积。由于它们的特性集相似，因此当输出电流>3.2 a至20 a或更高时，应使用ltc4015。没有一个行业竞争的ic电池充电器解决方案提供相同的高集成度，也无法产生相同的功率水平。接近充电电流（2 a至3 a）的器件仅限于单个电池化学成分（锂离子）或电池充电电压（最大值为13 v），因此不提供ltc4162或ltc4015的功率水平和灵活性。此外，当您考虑最接近的竞争单片式电池充电器解决方案所需的外部组件数量时，ltc4162 可在 pcb 占板面积方面节省多达 40%，使其成为更具吸引力的设计选择。
太阳能充电
有许多方法可以在其最大功率点（mpp）下操作太阳能电池板。最简单的方法之一是通过二极管将电池连接到太阳能电池板。该技术依赖于将面板的最大输出电压与电池相对较窄的电压范围相匹配。当可用功率水平非常低（大约小于几十毫瓦）时，这可能是最好的方法。但是，功率水平并不总是很低。因此，ltc4162 和 ltc4015 采用 mppt，这是一种在入射光量变化时查找太阳能电池板最大功率电压 （mpv） 的技术。随着面板电流在2个或更长时间的动态范围内变化，该电压可能会在12 v至18 v范围内发生剧烈变化。mppt电路算法查找并跟踪向电池提供最大充电电流的面板电压值。mppt功能不仅可以连续跟踪最大功率点，还可以在功率曲线上选择正确的最大值，以增加在功率曲线上出现多个峰值时在部分阴影条件下从面板收集的功率。在弱光期间，低功耗模式允许充电器提供较小的充电电流，即使没有足够的光线让 mppt 功能运行。
结论
adi公司最新的功能强大、功能齐全的电池充电和powerpath管理器ic ltc4162和ltc4015简化了非常困难的高电压和高电流充电系统。这些器件可有效管理输入源（如墙上适配器、背板、太阳能电池板等）之间的配电，以及各种电池化学成分（包括锂离子/聚合物、lifepo4 和 sla）的充电。其简单的解决方案和紧凑的尺寸使其能够在领先的应用中实现高性能，在这些应用中，只有更复杂、更老的技术基于开关稳压器的拓扑（如sepic）曾经是唯一的选择。这大大简化了设计人员在中高功率电池充电器电路方面的任务。
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即使在非太阳能应用中，最近的市场趋势也意味着人们对高容量sla电池重新产生了兴趣。从成本/功率输出的角度来看，汽车或启动sla电池价格低廉，并且可以在短时间内提供高脉冲电流，使其成为汽车和其他车辆启动器应用的绝佳选择。嵌入式汽车应用的输入电压>30 v，有些甚至更高。考虑使用gps定位系统作为防盗威慑;具有典型12 v输入降压至2串锂离子电池（典型值为7.4 v）且需要保护更高电压的线性充电器对于此应用可能很有价值。深循环la电池是工业应用中流行的另一种技术。它们的极板比汽车电池厚，设计放电至其总容量的 20%。它们通常用于需要较长时间常数的电力的地方，例如叉车和高尔夫球车。然而，与锂离子电池一样，la 电池对过度充电很敏感，因此在充电周期中仔细处理非常重要。
基于电流集成电路 （ic） 的解决方案仅涵盖输入电压、充电电压和充电电流的众多可能组合中的一小部分。ic和分立元件的繁琐组合通常用于覆盖其余大多数更困难的组合和拓扑。直到2011年，adi公司才通过其广受欢迎的2芯片充电解决方案解决并简化了这一市场应用领域，该解决方案由ltc4000电池充电控制器ic与兼容的外部补偿dc-dc转换器配合使用。
开关充电器与线性充电器
传统的线性拓扑电池充电器ic通常因其紧凑的尺寸、简单性和低成本而受到重视。然而，这些线性充电器的缺点包括输入和电池电压范围有限、相对电流消耗较高、功耗过大、充电终止算法有限以及相对效率较低（效率 ~ [vout/vin] × 100%）。另一方面，开关模式电池充电器也是受欢迎的选择，因为它们具有灵活的拓扑结构、多化学充电、高充电效率（最大限度地减少热量以实现快速充电时间）和宽工作电压范围。然而，开关充电器的一些缺点包括成本相对较高、基于电感器的设计更为复杂、潜在的噪声产生和更大的尺寸解决方案。由于上述原因，现代洛杉矶、无线电源、能量收集、太阳能充电、远程传感器和嵌入式汽车应用通常由高压线性电池充电器供电。然而，更现代的开关模式充电器存在一个机会，可以消除相关的缺点。
简单的降压电池充电器
设计人员在开始采用充电解决方案时面临的一些更严峻的挑战是，输入源范围广，电池种类繁多，电池容量大，需要充电，输入电压高。
输入源既宽又可变，但处理电池充电系统的一些更复杂的输入源是：电压范围为 5 v 至 19 v 及以上的高功率壁式适配器、整流 24 v 交流系统、高阻抗太阳能电池板、汽车和重型卡车/悍马电池。因此，这些系统中可能的电池化学成分组合 - 锂基（锂离子，锂聚合物，磷酸铁锂（lifepo4））和la基 - 进一步增加了排列，从而使设计更加艰巨。
由于ic设计的复杂性，现有的电池充电ic主要限于降压（或降压）或更复杂的sepic拓扑。将太阳能充电功能添加到这种组合中，您将打开各种其他复杂性。最后，一些现有解决方案为多种电池化学成分充电，一些则采用板载端接。然而，到目前为止，还没有一个ic充电器提供解决这些问题所需的所有性能特性。
功能丰富的新型紧凑型充电器
解决上述问题的降压ic充电解决方案需要具备以下大部分属性：
宽输入电压范围
宽输出电压范围，可满足多个电池组的需求
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采用板载充电终止算法的简单自主操作（无需微处理器）
用于快速充电、大型、高容量电池的高充电电流
太阳能充电能力
先进的封装，可提高热性能和空间效率
几年前，当adi公司开发广受欢迎的ltc4000电池充电控制器ic（与外部补偿dc-dc转换器配合使用，形成功能强大且灵活的2芯片电池充电解决方案）时，它大大简化了现有的解决方案，该解决方案相当复杂和繁琐。启用 powerpath 的步骤唰唰��控制、升压/降压功能和输入电流限制解决方案包括一个降压-升压dc-dc开关稳压器或一个降压开关稳压器充电器控制器，与前端升压控制器、一个微处理器以及多个ic和分立元件组成。主要缺点包括工作电压范围有限、没有太阳能电池板输入能力、无法为所有电池化学成分充电以及没有板载充电终止。快进到现在，现在可以使用一些更简单，更紧凑的单片解决方案来解决这些问题。adi公司的ltc4162和ltc4015降压电池充电器均提供单芯片降压充电解决方案，具有不同的充电电流水平和完整的功能集。
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图1.ltc4162-l 的典型应用电路。
ltc4162 （参见图 1） 包含一个准确的 16 位模数转换器 （adc），可根据命令连续监视众多系统参数，包括输入电压、输入电流、电池电压、电池电流、输出电压、电池温度、管芯温度和电池串联电阻 （bsr）。所有系统参数均可通过双线i进行监控2c 接口，而可编程和可屏蔽的警报确保只有感兴趣的信息会导致中断。该器件的有源最大功率点跟踪算法全局扫描输入欠压控制环路，并选择工作点，以最大限度地从太阳能电池板和其他电阻源中提取功率。此外，其内置的 powerpath 拓扑可将输出电压与电池分离，从而允许便携式产品在非常低的电池电压条件下使用充电电源时立即启动。ltc4162 的内置充电曲线针对多种电池化学组成进行了优化，包括锂离子 / 聚合物、lifepo4 和 la。充电电压和充电电流都可以根据电池温度自动调节，以符合jeita指南或定制。对于la，连续温度曲线根据环境温度自动调整电池电压。对于所有化学品，都可以使用可选的芯片结温度调节系统，防止在空间受限或热挑战应用中过度加热。有关锂离子充电效率性能，请参见图2。
最后，ltc4162采用28引脚、4 mm×5 mm qfn封装，具有裸露金属焊盘，以实现出色的热性能。e 级和 i 级器件保证工作温度范围为 –40°c 至 +125°c。
图2.锂离子电池充电效率与输入电压（按电池数量）
如果需要更高的电流怎么办？
ltc®4015 还是一款具有内置遥测功能的高度集成、高电压、多化学反应、同步降压型电池充电器。但是，它采用带有板外功率 fet 的控制器架构，可实现更高的充电电流能力（高达 20 a 或更高，具体取决于所选的外部组件）。该器件可从输入源（墙上适配器、太阳能电池板等）高效地向锂离子/聚合物、lifepo4 或 la 电池供电。它提供高级系统监控和管理功能，包括电池库仑计数和健康监控。虽然需要主机微控制器来访问ltc4015的最高级功能，但使用其 i2c 端口是可选的。该产品的主要充电特性可通过引脚连接配置和编程电阻进行调整。
图3.12 v在至 2 节锂离子电池 8 a 降压电池充电器电路。
ltc4015提供高达20 a的精密±2%充电电流调节、±1.25%充电电压调节，并在4.5 v至35 v输入电压范围内工作。应用包括便携式医疗器械、军事设备、电池备份应用、工业手持设备、工业照明、加固型笔记本电脑/平板电脑以及远程供电通信和遥测系统。
ltc4015 还内置一个准确的 14 位模数转换器 （adc） 以及一个高精度库仑计数器。adc持续监控众多系统参数，包括输入电压、输入电流、电池电压、电池电流，并根据命令报告电池温度和电池串联电阻（bsr）。通过监视这些参数，ltc4015 可以报告电池的健康状态及其充电状态。所有系统参数均可通过双线i进行监控2c 接口，同时可编程和可屏蔽警报确保只有感兴趣的信息会导致中断。ltc4015 的内置充电曲线针对各种电池化学成分（包括锂离子 / 聚合物、lifepo4 和 la）中的每一种进行了优化。配置引脚允许用户在每种电池化学成分的几种预定义充电算法以及可通过i调整参数的几种算法之间进行选择2c. 充电电压和充电电流都可以根据电池温度自动调整，以符合jeita指南，甚至自定义设置。铅酸充电效率性能见图4。ltc4015采用5 mm×7 mm qfn封装，具有裸露金属焊盘，可实现出色的热性能。
图4.采用 ltc4015 的铅酸充电效率。
节省空间、灵活性和更高的功率水平
在相同的功率电平（例如 3 a）下，由于 ltc4162 是一款集成功率 mosfet 的单片式器件，因此与 ltc4015 相比，它可以节省高达 50% 的 pcb 面积。由于它们的特性集相似，因此当输出电流>3.2 a至20 a或更高时，应使用ltc4015。没有一个行业竞争的ic电池充电器解决方案提供相同的高集成度，也无法产生相同的功率水平。接近充电电流（2 a至3 a）的器件仅限于单个电池化学成分（锂离子）或电池充电电压（最大值为13 v），因此不提供ltc4162或ltc4015的功率水平和灵活性。此外，当您考虑最接近的竞争单片式电池充电器解决方案所需的外部组件数量时，ltc4162 可在 pcb 占板面积方面节省多达 40%，使其成为更具吸引力的设计选择。
太阳能充电
有许多方法可以在其最大功率点（mpp）下操作太阳能电池板。最简单的方法之一是通过二极管将电池连接到太阳能电池板。该技术依赖于将面板的最大输出电压与电池相对较窄的电压范围相匹配。当可用功率水平非常低（大约小于几十毫瓦）时，这可能是最好的方法。但是，功率水平并不总是很低。因此，ltc4162 和 ltc4015 采用 mppt，这是一种在入射光量变化时查找太阳能电池板最大功率电压 （mpv） 的技术。随着面板电流在2个或更长时间的动态范围内变化，该电压可能会在12 v至18 v范围内发生剧烈变化。mppt电路算法查找并跟踪向电池提供最大充电电流的面板电压值。mppt功能不仅可以连续跟踪最大功率点，还可以在功率曲线上选择正确的最大值，以增加在功率曲线上出现多个峰值时在部分阴影条件下从面板收集的功率。在弱光期间，低功耗模式允许充电器提供较小的充电电流，即使没有足够的光线让 mppt 功能运行。
结论
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