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运用一个开关PowerPath管理器来提高锂离子电池充电速度并减少发热量

上网日期: 2009年01月20日 ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:开关PowerPath? 电池充电器? 锂离子电池?

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
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。
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。

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