便攜式電源應(yīng)用的領(lǐng)域，不但非常廣泛而且多元化，其範(fàn)圍涵蓋了從平均功耗以僅幾微瓦(μW)計(jì)的無(wú)線感測(cè)器節(jié)點(diǎn)，以至于用于手推式醫(yī)療或資料採(cǎi)集系統(tǒng)等眾多數(shù)百瓦/時(shí)的電池組。然而，這些應(yīng)用儘管品項(xiàng)眾多，但均呈現(xiàn)出相對(duì)一致的趨勢(shì)-亦即，設(shè)計(jì)人員不斷地要求其產(chǎn)品擁有較高的功率以支援更多功能，并希望能從任何可用的電源來(lái)為電池充電。第一個(gè)趨勢(shì)，主要是要求提高電池容量。不幸的是，使用者通常缺乏耐心，而且增加的電池容量必須要在合理的時(shí)間內(nèi)充電完成，這就導(dǎo)致充電電流的提高。第二個(gè)趨勢(shì)，則是要求電池充電解決方案具有高度彈性。本文便將針對(duì)這些議題提供詳細(xì)的說(shuō)明。
更高功率
新型的手持裝置，無(wú)論是消費(fèi)性裝置或是工業(yè)設(shè)備，都可能包括一個(gè)蜂巢式電話調(diào)變解調(diào)器、一個(gè)WiFi模組、一個(gè)藍(lán)牙模組、一個(gè)大型的背光顯示器等。許多手持式裝置的電源架構(gòu)，都可透過(guò)蜂巢式電話反映出來(lái)。通常，3.7V的鋰電池因其很高的重量(Wh/kg)和體積(Wh/m3) 能量密度而被用作主電源。過(guò)去，不少高功率密度設(shè)備都採(cǎi)用7.4V鋰離子電池以降低電流需求，但廉價(jià)的5V電源管理IC 的問(wèn)世，使得越來(lái)越多的手持式設(shè)備轉(zhuǎn)而採(cǎi)用較低電壓架構(gòu)。平板電腦便體現(xiàn)了這一點(diǎn)-標(biāo)準(zhǔn)的平板電腦擁有多功能以及非常大(用于可攜式裝置)的螢?zāi)?。?dāng)採(cǎi)用一個(gè)3.7V電池來(lái)供電時(shí)，電池的容量必須達(dá)到幾千毫安培/小時(shí)(mAh)。為了能夠在幾個(gè)小時(shí)之內(nèi)完成此類電池的充電，所需要的是幾千毫安培(mA)的充電電流。然而，消費(fèi)者同樣希望能夠在沒(méi)有可用的大電流墻式電源轉(zhuǎn)接器時(shí)，能從USB埠來(lái)為其高功率設(shè)備充電，這個(gè)期望并未因上述的高充電電流而降低。為了滿足這些要求，在可以使用墻式電源轉(zhuǎn)接器時(shí)，電池充電器必須要能夠以高電流(》2A)進(jìn)行充電，但仍然可以高效率地利用USB埠所提供的2.5W至4.5W功率。此外，產(chǎn)品還必需避免敏感的下游低電壓組件遭受可能造成損壞的過(guò)壓，將高電流從一個(gè)USB輸入、一個(gè)PowerPath或電池?zé)o縫式地引導(dǎo)至負(fù)載，并最大限度地降低功率損耗。與此同時(shí)，IC 必須安全地管理電池充電算法，并監(jiān)控關(guān)鍵的系統(tǒng)參數(shù)。
解決單顆電池供電型可攜式產(chǎn)品的電源難題
儘管似乎無(wú)法找到單個(gè)IC 來(lái)滿足上述要求，但不妨考慮LTC4155，這是一款高功率、I2C控制、高效率的PowerPath管理器、理想二極體控制器和鋰電池充電器。該元件設(shè)計(jì)用于從多種5V電源高效地輸送高達(dá)3A的電流，可為電池充電及系統(tǒng)用途提供3.5A以上的電流(見(jiàn)圖1)。即使在這些高電流水準(zhǔn)下，LTC4155的88%～94% 效率仍然可使熱預(yù)算限制條件有所放寬(圖2)。LTC4155的開(kāi)關(guān)PowerPath架構(gòu)可對(duì)從兩個(gè)輸入電源(例如：PowerPath和USB埠)至設(shè)備的可再充電鋰電池的功率輸送進(jìn)行無(wú)縫管理，并在輸入功率有限時(shí)優(yōu)先為系統(tǒng)負(fù)載供電。
LTC4155的切換穩(wěn)壓器可提供變壓器的作用，允許VOUT上的負(fù)載電流超過(guò)輸入電源所吸收的電流，與常用的線性模式充電器相比，此可大幅提升電池充電可用功率的使用效率。如前例所示，LTC4155能夠以高達(dá)3.5A的電流進(jìn)行高效充電，從而縮短充電時(shí)間。與普通的切換電池充電器不同，LTC4155具有instant-on操作能力，以確保在插入電源時(shí)可立即獲得系統(tǒng)功率，即使所採(cǎi)用的是一個(gè)失效的電池或深度放電的電池也不例外。 在對(duì)電池進(jìn)行高速充電時(shí)，監(jiān)視電池的安全性是很重要的。LTC4155將在電池溫度下降至0℃以下或上升至40℃以上(由一個(gè)外部負(fù)溫度係數(shù)[NTC]熱敏電阻負(fù)責(zé)測(cè)量)時(shí)自動(dòng)停止充電。除了這種自主特性之外，LTC4155還提供了一個(gè)7位元延伸刻度類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器(ADC)，用于以大約1℃的解析度(圖3)來(lái)監(jiān)視電池的溫度。結(jié)合4種可用的浮動(dòng)電壓設(shè)定值和15種電池充電電流設(shè)定值，該ADC能夠用于建立基于電池溫度的客製充電演算法 。
透過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的二線式I2C埠可獲得NTC ADC結(jié)果，從而據(jù)此調(diào)整充電電流和電壓設(shè)定值。該I2C埠還透過(guò)控制包括可相容USB 2.0和3.0規(guī)格的設(shè)定值等16種輸入電流限制設(shè)定值提供了與USB規(guī)範(fàn)的相容性。通訊匯流排允許LTC4155提供額外的狀態(tài)指示訊息，例如：輸入電源狀態(tài)、充電器狀態(tài)和故障狀態(tài)。USB OTG(On-The-Go)支援能力可在未採(cǎi)用任何附加零組件的情況下，提供一個(gè)返回USB埠的5V電源。
LTC4155的雙組輸入、優(yōu)先性多工器可根據(jù)用戶定義的優(yōu)先級(jí)(適配器輸入是default的優(yōu)先選擇) 自主選擇最合適的輸入(墻式電源轉(zhuǎn)接器或USB)。過(guò)壓保護(hù)(OVP)電路用于同時(shí)保護(hù)兩個(gè)輸入免遭因意外施加高電壓或反向電壓而造成的損壞。LTC4155的理想二極體控制器可確保即使輸入功率不足或缺失，也始終能為VOUT提供足夠的功率。
對(duì)于諸如平板電腦或工業(yè)條形碼掃描儀等許多可攜式應(yīng)用而言，管理兩個(gè)輸入(例如：USB和墻式電源轉(zhuǎn)接器)就足夠了。不過(guò)，可攜式設(shè)備的設(shè)計(jì)人員仍在繼續(xù)探尋能夠從任何可用電源來(lái)給電池充電的方法。
