Mark Gurries

為了節(jié)省空間并提供更長(zhǎng)的電池運(yùn)行時(shí)間，許多高性能筆記本電腦支持雙可插拔電池，其中每個(gè)電池托架可以容納一個(gè)電池或一個(gè)可選的外圍設(shè)備。兩塊電池顯然比一塊電池好，比單節(jié)電池提供更長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間，但它們能好多少？答案是，兩塊電池可以產(chǎn)生比單個(gè)電池更好的兩倍的性能。訣竅在于同時(shí)對(duì)兩個(gè)電池進(jìn)行充電和放電，而不是傳統(tǒng)上更簡(jiǎn)單的順序方法。

雖然多電池同時(shí)充電和放電系統(tǒng)可能比順序系統(tǒng)更難實(shí)現(xiàn)，但并聯(lián)充電和放電雙電池可顯著縮短充電時(shí)間并延長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間。LTC1960 將所有難以設(shè)計(jì)的充電和放電控制功能封裝在一個(gè)封裝中，從而解決了許多設(shè)計(jì)復(fù)雜性，從而使雙電池管理系統(tǒng)的實(shí)施成為可能，適用于多種應(yīng)用。除了控制同時(shí)進(jìn)行電池充電和放電外，它還控制所有 PowerPath?在兩個(gè)電池、壁式適配器和設(shè)備的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器之間切換，此外它還包括許多電路保護(hù)功能。圖1所示為典型應(yīng)用的框圖。

圖1.LTC1960系統(tǒng)架構(gòu)。

LTC1960 包括兩個(gè)控制器：PowerPath 控制器負(fù)責(zé)管理來(lái)自兩個(gè)電池和一個(gè) DC 輸入電源的供電，而充電控制器則負(fù)責(zé)管理電池的充電。

PowerPath控制器的核心是理想的二極管電路，可在電池之間實(shí)現(xiàn)精確的電壓跟蹤。理想的二極管電路使用相同的MOSFET晶體管來(lái)打開(kāi)和關(guān)閉電源，并使它們像二極管一樣工作，但沒(méi)有功率損耗或壓降變化作為電流的函數(shù)。電壓損耗和功率損耗通常比肖特基二極管降低30倍。高速比較器監(jiān)視反向電流條件，并在幾微秒內(nèi)關(guān)斷 MOSFET。欠壓檢測(cè)器觀察負(fù)載處的突然電壓損失，并在 10 微秒內(nèi)打開(kāi)所有電源，無(wú)需主機(jī)干預(yù)。在發(fā)生CPU過(guò)壓情況或任何其他系統(tǒng)級(jí)危機(jī)時(shí)，主機(jī)還可以在緊急情況下通過(guò)高速關(guān)斷輸入關(guān)閉PowerPath。最后，還有一個(gè)基于時(shí)間和電流的組合短路保護(hù)系統(tǒng)，可保護(hù)電源路徑MOSFET在短路時(shí)免受破壞。

充電器控制器采用同步整流，具有 0.5V 低壓差能力和 99% 最大占空比。提供系統(tǒng)級(jí)精度為±11.0%的8位電壓DAC和系統(tǒng)精度為5%的10位電流DAC。由于能夠從毫安到安的編程，因此在低電流下保持良好的電流精度是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。LTC1960 充電器通過(guò)在低電流模式下提供一種任選的脈沖充電來(lái)解決這一問(wèn)題。獲得專(zhuān)利的輸入電流限制可在最終產(chǎn)品運(yùn)行時(shí)最大限度地提高充電速率，而不會(huì)使墻上適配器過(guò)載。該 IC 的 5% 精度電流限制允許用戶準(zhǔn)確確定墻上適配器的尺寸，避免過(guò)度設(shè)計(jì)和更高的成本。過(guò)壓比較器檢測(cè)到電池突然斷開(kāi)并關(guān)閉充電器，直到過(guò)壓條件清除。

自動(dòng)均流

LTC1960 在充電和放電時(shí)不控制流入和流出每個(gè)電池的電流。理想的二極管功能允許電池本身控制均流，從而有助于優(yōu)化電池充電時(shí)間。這是因?yàn)槊總€(gè)電池的容量或安培小時(shí)額定值決定了如何共享電流。電流只是根據(jù)電池額定容量的比率劃分。電流的自動(dòng)轉(zhuǎn)向允許兩個(gè)電池同時(shí)達(dá)到其完全充電或完全放電點(diǎn)。

同時(shí)放電可延長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間

在高電流消耗應(yīng)用中，并聯(lián)放電兩個(gè)電池的運(yùn)行時(shí)間比單個(gè)電池的運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)一倍以上（見(jiàn)圖2）。當(dāng)兩個(gè)電池平均共享負(fù)載電流時(shí)，每個(gè)電池的電流減半，因此內(nèi)部電池I2R功率損耗減少四分之一。內(nèi)部電池功率損耗的降低會(huì)導(dǎo)致更長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間，增加 12% 或更多。

圖2.雙放電延長(zhǎng)了運(yùn)行時(shí)間。

使用第二塊電池縮短充電時(shí)間

LTC1960 可以在為兩節(jié)電池充電所需的時(shí)間內(nèi)為兩節(jié)電池充電，而不必創(chuàng)建單獨(dú)的充電電路。相對(duì)于使用恒流 （CC） 模式的電池，在充電終止期間使用恒壓 （CV） 模式的電池需要很長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到其全部容量。具體來(lái)說(shuō)，鋰離子電池在充電時(shí)間周期的前半部分充電到其容量的85%左右，后半部分則填充剩余的15%。

如果兩個(gè)電池在CV階段同時(shí)接收充電電流，則總充電時(shí)間可減少25%。另外 25% 或更多，在充電的 CC 階段可以節(jié)省時(shí)間，其中電池的自動(dòng)均流允許相對(duì)于單個(gè)電池以更高的電流速率充電?？傊鄬?duì)于順序方法，您可以將充電時(shí)間縮短約50%，如圖3所示。

圖3.雙重充電縮短了充電時(shí)間。

自動(dòng)危機(jī)電源管理

PowerPath 控制的一個(gè)重要特點(diǎn)是能夠處理負(fù)載突然斷電的情況。LTC1960 通過(guò)監(jiān)視包括墻上適配器、電池 1 和電池 2 在內(nèi)的所有三個(gè)電源的功率求和點(diǎn)上的電壓來(lái)管理電源。如果負(fù)載斷電，可編程電壓比較器會(huì)檢測(cè)到它，并在負(fù)載發(fā)生故障之前立即將所有三個(gè)電源連接到負(fù)載。這種狀態(tài)稱(chēng)為3二極管模式（3DM）。具有最高電壓的電源將拾取負(fù)載，并可實(shí)現(xiàn)多源均流。理想的二極管電路可防止能量從任何電源傳輸?shù)饺魏纹渌娫?。該系統(tǒng)可連續(xù)保持 3DM 模式，從而可以將 LTC1960 插入電路，而不必?fù)?dān)心控制接口或編程 — 即插即用。

結(jié)論

LTC1960 是首個(gè)完整的雙電池片上充電-放電系統(tǒng)解決方案。它降低了解決方案成本、開(kāi)發(fā)時(shí)間、PCB 空間和零件數(shù)量，同時(shí)提供了相對(duì)于當(dāng)今可用的任何其他解決方案更多的控制、安全性和自動(dòng)危機(jī)管理。結(jié)合主機(jī)微控制器，它可以靈活地在用戶專(zhuān)有和基于智能電池的應(yīng)用中工作。LTC1960 所能實(shí)現(xiàn)的限值完全取決于控制 IC 的軟件。

審核編輯：郭婷