标题: 如何应用开关PowerPath管理器来提高锂离子电池充电速度 [打印本页]
作者: forsuccess 时间: 2013-4-15 22:22 标题: 如何应用开关PowerPath管理器来提高锂离子电池充电速度
持式产品设计师争先恐后地在外形日趋小巧的设备之中集成尽可能多的“时尚”功能。屏幕大而明亮的彩色显示器、Wi-Fi、WiMax、蓝牙、 GPS、照相机、手机、触摸屏、电影播放器、音乐播放器和收音机等等，只不过是当今电池供电型便携式设备众多常见功能当中的一小部分。在这么狭小的空间里集成如此之多的功能所面临的一大问题是：这种“时尚”产品在使用过程中必须保持“低温”状态。在手持式设备中，最大限度地降低散逸热是需要优先考虑的因素，而电池充电器是一个重要的发热源。 多年来，手持式设备的一个组件几乎一成不变，那就是锂离子电池。尽管当今电池的容量已经从几百毫安时 （mAh） 增加至几安时 （Ah），以适应现代便携式产品不断扩充的功能组，但基本的锂离子电池技术却并未发生什么变化。锂离子电池为什么能够经久不衰？无可比拟的能量密度 （无论是从质量还是体积来衡量都是如此）、高电压、低自放电、宽可用温度范围、无记忆效应、无电池反向、无电池平衡以及对环境的轻微影响等，所有这些使得锂离子电池成为高性能便携式产品的优选电源。
然而，给如今的大型电池充电却绝非小事一桩。为了能够在合理的时间内完成其充电，应当以一个与其容量相称的速率、并采用一种特殊的算法来执行充电操作。例如：若想在大约一个小时的时间里完成一个1Ah电池的满充电，则需1A的充电电流。如果希望采用USB供电型充电，那么将只有500mA的可用电流，从而导致充电时间延长一倍 （达2小时）。
采用较高充电电流的另一个问题是会在充电过程中产生额外的热损耗。由于这些设备的充电功率通常取自一个5V电源 （例如：一个USB端口或5V墙上适配器），因此，功率损耗会相当大。假设一个状况良好的锂离子电池于充电过程中在其3.7V的“理想电压”条件下度过了相当长的时间，那么使用线性充电元件时的效率最高可达3.7V/5V （即74%）。当电池电压低于3.7V时，功率损耗的情况将更加严重。即使在4.2V的最大浮动电压条件下 （此时，电池度过了大约1/3的充电时间），充电效率也不可能优于84%。
对于一个采用“1C”速率进行充电的1Ah电池，我们可以预计：当在充电周期的最长时段中向电池输送3.7W功率时，损失的功率将达1.3W左右。然而，需要注意的是，当电池把能量储存起来以备日后使用的时候，输送至电池的能量并未引起任何显著的温升。这就意味着：充电过程中的主要发热源是由充电器自身所产生的。牢记这一点后，在某种给定的功率级上改用开关电池充电器将具有实际意义，这可改善充电效率、减少充电器发热量并缩短充电时间。
LTC4088和LTC4098都是由凌力尔特公司推出的单节锂离子电池充电器产品实例，它们不仅提供了开关电池充电器的高效率，而且还采用了PowerPath技术。PowerPath控制是一种运用第三个节点 （即：中间节点） 的方法，旨在实现“即时接通型”操作 （当电池电压低于系统切断电压时，能够向系统供电）。只有像LTC4088和LTC4098这样的产品运用一种独特的方式将降压型DC/DC开关稳压器与线性电池充电器组合起来，从而确保了至系统负载和电池的高效功率输送。在深入研究这些器件之前，我们先了解一下过去的做法。
图1：采用一种开关PowerPath管理器/电池充电器来缩短电池充电时间并使手持式设备在工作时保持低温状态
传统方法：线性PowerPath
中间节点拓扑结构并不是新东西。图2给出了线性PowerPath拓扑结构的一个例子。在该架构中，一个电流限制开关从一个输入连接器向外部负载和线性电池充电器输送功率。线性电池充电器随后从中间节点向电池供电。
图2：具重大固有效率局限性的传统线性PowerPath方框图
如果负载电流远低于输入电流限值 （以允许把一些电流转用于电池充电），则VOUT上的电压将几乎等于输入电源电压 （我们假设它为5V）。在这种场合中，从VIN至VOUT的路径具有极高的效率，原因是在传输元件的两端上没有产生显著的电压降。不过，需要指出的是：VOUT （约5V） 和VBAT （比如：3.5V） 之间的电压降意味着线性充电器的运行效率偏低。因此，送往负载的功率能够及时有效地到达，而送往电池的功率则无法及时有效地到达。
现在我们来看另一种情形，就是负载电流超过了输入限流设定值。此时，输入限流控制电路开始起作用，而且中间节点 （VOUT） 上的电压下降至刚好低于电池电压，从而使电池成为提供额外电流的一个电源。虽然这是一种期望的工作特性 （可确保负载电流拥有高于充电电流的优先级），但请注意：此时传输元件的效率不高，因为在输入引脚 （同样是5V） 和输出引脚之间确实存在一个很大的电压差 （现在可能约为3.5V）。
从这些例子我们可以看到：虽然线性PowerPath拓扑结构能在所有条件下执行必需的PowerPath控制功能，但是，它存在着某些固有的低效率缺陷。确切地说，当采用线性PowerPath拓扑结构时，在不同的条件下，两个线性传输元件当中的这个或那个很可能会消耗功率。在下一节中，我们将了解开关PowerPath是如何克服线性PowerPath的缺点。
新兴方法：运用开关PowerPath来实现高效率
图3示出了线性PowerPath的一种替代方案，即：开关PowerPath。这里，一个降压型DC/DC转换器把功率从输入连接器输送至中间节点 VOUT。一个线性电池充电器被连接在中间节点和电池之间，这一点和线性PowerPath是一样的。开关PowerPath与线性PowerPath的显著差异是：从VIN至VOUT的路径保持了较高的效率 （这与电压差无关），因为它是一条开关路径，而非线性路径。
图3：开关PowerPath方框图。与线性PowerPath相比，开关PowerPath方案的一个重要优势是：从VIN至VOUT的路径保持了较高的效率 （这与VIN/VBAT之比无关）
那么，作为总效率的另一个重要组成部分，线性电池充电路径的效率又如何呢？VOUT和电池之间的电压降将使通过采用开关稳压器而实现的效率提升丧失殆尽。由于拥有一种被称为Bat-TrackTM的功能，因此，采用LTC4088和LTC4098时的总效率保持在很高的水平上。利用Bat-Track功能，可将开关稳压器的输出电压设置成跟踪电池电压 + 几百mV的压差。由于输出电压绝不会明显高于电池电压，因此线性电池充电器所消耗的功率一直极少。电池充电器传输元件把大部分电压控制任务托付给了开关稳压器，而只负责控制充电电流、浮动电压和电源安全监视 —— 这些都是它的强项。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
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