許多便攜式計算機和其他現(xiàn)代電子產(chǎn)品使用兩個（或更多）可充電電池來增加設備運行時間。兩個電池按順序放電可以使單個電池的運行時間加倍，但順序系統(tǒng)的缺點是按順序為電池充電也會使充電時間加倍。一種更有效的方法是并行充電和放電，與順序系統(tǒng)相比，它可以使單個電池的運行時間增加一倍以上，并將充電時間縮短一半。雖然長期以來一直可以并聯(lián)多個電池的充電和放電，但到目前為止，很難設計出電路來做到這一點。LTC?1960 雙電池電源管理器通過在單片式器件中包括許多所需的功能并大大簡化了控制接口，解決了并聯(lián)電池系統(tǒng)中固有的許多設計問題。結果是增加電池運行時間并顯著減少雙電池系統(tǒng)充電時間的簡單方法。

有吸引力的功能，但難以實施

它是如何工作的？圖1顯示了在高電流消耗應用中，并聯(lián)兩個電池可以將電池放電時間延長到單個電池的兩倍以上。當兩節(jié)電池均等地分擔負載電流時，內部電池I2每個電池的R功率損耗減少四分之一。這導致更長的運行時間，可能增加 12%。就時間而言，12% 表示超過 21 小時的運行時間，超出 3 小時的基線。具有高內阻值的常用電池化學成分從并聯(lián)操作中受益最大。

圖1.雙（同時）系統(tǒng)和順序系統(tǒng)的電池放電時間比較。

圖 2 顯示了充電時間的優(yōu)勢。相對于在充電終止期間使用恒流 （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時間才能達到其全部容量。具體來說，鋰離子電池是當今使用的最流行的便攜式計算機電池化學物質之一。鋰離子電池有兩個充電階段：一個電流限制階段，其中大部分能量被投入電池，以及一個CV階段，其中電流起初迅速下降，但隨著電流逐漸接近零電流而減慢。問題在于，電池在總充電周期時間的前半段僅填充到其容量的85%左右，而剩余的15%則需要同樣多的時間。從用戶的角度來看，兩塊電池的充電時間變得過長。通過并行充電，相對于順序充電，充電時間幾乎減少了一半，原因有三：

每個電池中的電流越小，內部電池壓降越小，允許更長的電流限制階段，因此在進入CV階段之前達到更高的充電容量點（90%）。

當兩個電池在CV階段同時充電時，在CV階段花費的時間是使用順序充電的一半。

由于雙充電模式下的共享電流導致給定電池接收的速率低于其最大允許速率，因此可以提高總電流，從而進一步縮短總充電時間。

圖2.雙（同時）系統(tǒng)和順序系統(tǒng)的電池充電時間比較。

到目前為止，實現(xiàn)一個系統(tǒng)來完成上面列出的所有功能是非常復雜的。同時對兩個具有不同端電壓的電池進行直接電并聯(lián)放電會導致兩個電池之間危險的不受控制的電流流動。用于并聯(lián)電池的傳統(tǒng)電路也必須提供隔離，通常會消耗任何額外的電池能量，在運行時間內提供很少或沒有凈增益。

然后是將兩個鋰離子電池并聯(lián)充電以正確終止充電的問題，同時保持獨立于電流的精密電壓。如果使用的電池不是相同的化學或電壓（電池計數(shù)）配置，則一切都會更加復雜。

另一個問題是在所選電源斷電或無意中移除時實施電源危機管理?？紤]到空間和成本限制，在系統(tǒng)嘗試切換到另一個電源時，添加大容量電容來支撐系統(tǒng)在當今的產(chǎn)品中不是一種選擇。還存在安全問題，例如防止主機崩潰時電池意外過度充電，以及安全處理失去控制的災難性短路情況。

設計人員早就知道，創(chuàng)建一個能夠完成所有這些技巧并適合現(xiàn)代電路板上有限空間的電路幾乎是不可能的，直到現(xiàn)在......

介紹 LTC1960

LTC?1960 是首款單芯片雙電池電源路徑?以及允許電池雙并聯(lián)充電和放電的充電控制器。該 IC 是一個完整的模擬構建模塊，在主機微控制器的控制下，能夠以最少的器件數(shù)量安全地實現(xiàn)上述所有功能。除了充電和放電 PowerPath 控制之外，LTC1960 還在單個 IC 中集成了兩個用于充電控制的精準 DAC、一個看門狗定時器、完整狀態(tài)報告位、輸入電流限制、短路過載保護和自動電源危機管理，該 IC 可工作在高達 32V 的電壓下。圖 3 顯示了系統(tǒng)架構。

圖3.LTC1960系統(tǒng)架構。

LTC1960 可分為兩個主要部件：一個 PowerPath 控制器和一個充電器控制器。PowerPath 控制器設計用于管理兩個電池和一個直流輸入電源。PowerPath控制器的核心是理想的二極管電路，可在電池之間精確跟蹤電壓。理想的二極管電路使用相同的MOSFET晶體管來打開和關閉電源，并使它們像二極管一樣工作，但沒有功率損耗問題或電壓降隨電流的變化。高速比較器監(jiān)視反向電流條件，并在幾微秒內關斷 MOSFET。欠壓檢測器觀察負載處的突然電壓損失，并在幾微秒內打開所有電源，無需主機干預。在CPU過壓情況或其他系統(tǒng)級危機的情況下提供高速緊急關斷輸入。最后，還有一個基于時間和電流的組合短路保護系統(tǒng)，可保護 PowerPath MOSFET 在短路時免受損壞。

充電器控制器采用同步整流，具有高效率和高電流能力，具有0.5V低壓差能力和99%最大占空比。該器件提供系統(tǒng)級精度差情況下為 ±11.0% 的 8 位電壓 DAC，以及精度為 5% 的 10 位電流 DAC。從毫安到安培的編程能力使得在低電流下保持良好的電流精度成為一項挑戰(zhàn)。在電池從過度放電中恢復期間，通常需要如此低的電流。LTC1960 充電器通過在低電流模式下進行脈沖充電來解決此問題。通過使用時間平均，精度可以保持到毫安級。獲得專利的 5% 精度輸入電流限制閾值允許使用墻上適配器的所有電源盡快為電池充電。過壓比較器檢測到電池突然斷開并關閉充電器，直到過壓條件清除。圖4所示為完整充電器的原理圖。

圖4.完整的充電器原理圖。

理想二極管

圖5顯示了一個與電池安全并聯(lián)以進行放電的電路。該解決方案的獨特之處在于，它可以驅動電池電源路徑中使用的兩個背靠背串聯(lián)MOSFET，用作虛擬理想二極管。IC主動驅動P溝道MOSFET的柵極Q7，這樣當電流流出電池時，兩個MOSFET兩端的壓降被調節(jié)至25mV。這至少比最好的肖特基二極管提高了 20 倍，其中 30 倍的改進更為典型。

圖5.單電池路徑放電控制器。

當負載電流乘以R時達到調節(jié)上限DS（ON）的Q7超過25mV。如果壓降降至25mV以下，則Q7緩慢關斷，阻止電流流動。如果MOSFET兩端的電壓在任何時候被反轉，幅度超過20mV，MOSFET將立即關斷。該電路的功率損耗小于任何其他解決方案，不包括機電開關。電池充電路徑中也采用了類似的電路，使用N溝道MOSFET，如圖6所示。

圖6.單電池路徑充電控制器。

自動均流

在雙通道并聯(lián)充電配置中，LTC1960 實際上并不控制流入每個單獨電池的電流。這項工作由電池本身處理。每個電池的容量或安培小時額定值決定了充電器電流的共享方式。這種電流的自動轉向使兩個電池同時達到其全部容量點。換句話說，假設所有其他條件相同，充電終止將同時發(fā)生。

充電電池可以建模為一個巨大的電容器，因此受相同的定律管轄。

一組或并聯(lián)電池的等效型號是一組并聯(lián)電容器。由于它們是并聯(lián)的，因此每個電池的電壓隨時間的變化是相同的。

從這里我們可以簡化。

電流除以電池額定容量的比率。進入兩個電池的電流總和與充電器提供的電流相同。這與充電器的模式（CC 或 CV）無關。

請注意，實際觀察到的均流值將與制造商指定的容量額定值有所不同，因為它基于充電時的實際物理容量。

雙電池放電

充電規(guī)則也適用于處理類似電池時的放電。均流量是兩個電池之間充電狀態(tài)的直接函數(shù)。對兩個具有相同配置、特性和充電狀態(tài)的電池放電將允許它們保持它們建立的任何均流水平，直到兩個電池同時耗盡能量。特性略有不匹配的并聯(lián)電池將在略有不同的時間耗盡能量，因為它們具有不同的實際容量。

雙電池充電

需要恒壓 （CV） 充電終止的電池可以從并聯(lián)充電中受益。在理想條件下，當電池電壓等于為電池指定的終止電壓時，CV電池將充滿。實際上，串聯(lián)（ESR）電阻會使電池電壓看起來比實際更高，因為內部串聯(lián)電阻兩端的壓降被添加到實際電池電壓中。因此，電流逐漸減少，直到電阻壓降歸零，而不是即時終止充電。

不幸的是，您永遠不會達到充電終止，因為充電電流漸近接近于零。這就需要一個與接近100%的容量相對應的截止電流閾值。由于壓降與充電電流成正比，通過兩個電池組之間的均流減少電流，兩個電池的充電速度將比每個電池以串行（順序）方式充電時更快。換句話說，允許并聯(lián)電池放電運行時間更長的相同屬性也可以減少總充電時間。LTC1960 的 25mV 低理想二極管壓降將確保兩節(jié)電池幾乎同時端接。肖特基二極管方法會在兩個電池之間產(chǎn)生更大的充電狀態(tài)差異，當兩個電池中的一個確定它已滿時。

渦輪增壓

在充電的CC階段并聯(lián)為鋰離子電池充電還有另一個優(yōu)勢。如果壁式適配器和電池充電器能夠為單個電池組提供超過 1C 的充電速率，則充電器可以以更高的充電速率（高達 2C）進行編程，因為充電電流將在兩個電池之間共享。

通過輸入電流限制充電至最大值

LTC1960 具有凌力爾特獲得專利的墻上適配器電流限制功能。該電路監(jiān)視從墻上適配器汲取的電流，并允許電池以盡可能高的電流充電，而不會超過適配器的額定電流。在純電流操作方面，充電器輸入電流和系統(tǒng)負載電流的總和絕不允許超過墻上適配器的最大額定電流。該電路的工作原理是在潛在的適配器過載時不斷自動調整充電器輸出電流，以便從適配器汲取恒定電流而不會超過其額定值。當系統(tǒng)負載釋放適配器電流時，充電器將恢復到其原始充電電流限制設置。這允許使用備用交流適配器電源更快地充電，而無需更大的墻上適配器。

安全充電

除了理想的二極管反向電流保護之外，LTC1960 中還包括一個看門狗定時器，以防止在主機意外停機或崩潰時意外過充電。只需每秒寫入充電器控制寄存器即可保持充電器運行。如果充電器超時，則一旦對充電控制寄存器進行新的寫入，就會恢復充電。不會丟失電壓和電流電荷值。LTC1960 在設定充電器電壓和電流值時具有逐位回讀功能，因而允許無差錯編程，而無需任何專門的錯誤檢查代碼或軟件。

兩塊以上的電池？沒關系

對于兩節(jié)電池不夠用的情況，例如在備用電源情況下，可以將 LTC1960 配置為使用兩節(jié)以上的電池工作。該 IC 設計為允許并聯(lián)使用多個 LTC1960，而添加到系統(tǒng)中的每個 LTC1960 只需從主機微控制器進行一次額外連接。

自動危機電源管理

PowerPath 控制的另一個方面是能夠處理負載突然斷電的情況。LTC1960 允許從三個選項中選擇單個電源 — 交流電源適配器和兩個電池 — 作為系統(tǒng)的唯一電源。LTC1960 通過監(jiān)視 SCN 引腳上所有三個電源的求和點處的電壓 （負載電壓） 來管理電源 （參見圖 4）。稱為LOW_PWR的可編程電壓比較器可檢測功率損失并激活3二極管模式（3DM），以便在系統(tǒng)發(fā)生故障之前恢復系統(tǒng)電源，而不管選擇何種原始電源。3DM模式是指所有三個電源都連接到負載的狀態(tài)。當檢測到壓降時，三個MOSFET（Q2、Q5和Q8）在10μs內導通LOW_PWR;通過Q1、Q6和Q7的二極管功能將所有三個電源并聯(lián)。具有最高電壓的電源將拾取負載，并可實現(xiàn)多源均流。理想的二極管MOSFET在防止能量從任何電源傳輸?shù)饺魏纹渌娫捶矫婢哂谢钚?。只允許放電。電池充電器MOSFET和充電器本身不受3DM模式的影響。

三次罷工，你就出局了

LTC1960 可被編程為使用雙電池和墻上電源的任何電源配置，但它不會強制解決根本無法提供足夠電壓的配置的問題 （除非主機系統(tǒng)要求）。每當LOW_PWR跳閘時，LTC1960 就會假定最差情況并自動進入 3DM 模式。它等待 1 秒鐘，然后在重新連接原始預LOW_PWR電源配置時關閉 3DM 模式。LTC1960 每次跳閘時都會遞增電源故障計數(shù)器LOW_PWR并且對于任何特定配置連續(xù)三次觸發(fā)時，它進入 3DM 并保持在那里。它還在 LTC1960 狀態(tài)寄存器中設定 PF 位。到目前為止，LTC1960電路之外的任何東西都不需要干預 — 盡管一旦設置了PF位，系統(tǒng)軟件就負責確定當前電源配置是否仍可用作電源，或者如果不可，是否應將其替換為另一種配置。

超靈活的放電電源路徑管理

每個放電 PowerPath 都可以單獨選擇或以任意組合方式選擇，而不考慮無效或不安全的配置。主機系統(tǒng)可以選擇同時打開所有三個 PowerPath（3DM 模式），而不用關心電源配置。在啟動時，LTC1960 默認為 3DM 模式，直到通過串行接口選擇一條特定路徑。如果未選擇任何選項，它將保持 3DM 模式。這大大簡化了 LTC1960 的集成。無需軟件：只需插入即可使用！

現(xiàn)實短路保護

LTC1960 提供了針對過大電流的短路保護。當RSC兩端的電壓超過100mV標稱值時，啟動一個15ms定時器。如果在定時器周期結束時，負載電流未降至跳變點以下，則 LTC1960 將停機。15ms 定時器允許瞬態(tài)電流通過，從而防止過早關斷。

緊急系統(tǒng)關閉

LTC1960 將針對兩個事件中的任何一個關斷。首先是由于系統(tǒng)短路引起的電流過大，如上所述。另一種是主機系統(tǒng)通過將DCDIV引腳驅動到7V以上來告訴它關斷。DCDIV輸入允許系統(tǒng)設計人員在緊急情況下斷電，也許是為了保護CPU免受過壓情況的影響。關斷模式是一種鎖存模式，無論 PowerPath 寄存器設置如何，它都會強制所有充電和放電 FET 進入關斷狀態(tài)。LTC1960 通過循環(huán)斷電然后再次接通來復位。

精密墻上適配器（輸入）電壓跳變點

為了最大限度地降低高功率水平下的功耗，通常需要電池充電器在低壓差情況下工作。準確的墻上適配器電壓檢測可能至關重要。LTC1960 具有一個用戶可調的墻上適配器輸入電壓跳變點設置，其誤差小于一個 2%。例如，您可以使用額定電壓低至 13.2V 的墻上適配器進行有效的交流電檢測，并且仍能為 12.6V 3 芯鋰離子電池充電。

簡單的串行接口

串行連接基于串行外設接口 （SPI） 協(xié)議，該協(xié)議是一種允許主機 CPU 與許多外圍設備通信的通信系統(tǒng)。SPI是一種非常簡單的TTL級接口，不需要主機微處理器的任何特殊接口要求。使用標準邏輯輸出的簡單位敲擊方法使該器件與任何微處理器兼容。鑒于 LTC1960 功能集成度較高，串行接口大大減少了主機和 IC 之間所需的信號數(shù)量，從而騰出主機引腳用于其他功能。

結論

LTC1960 是第一個完整的雙電池片上雙電池放電-充電系統(tǒng)解決方案。它降低了解決方案成本、開發(fā)時間、PCB 空間和零件數(shù)量，同時提供了相對于當今可用的任何其他解決方案更多的控制、安全性和自動危機管理。結合主機微控制器，它可以靈活地在用戶專有和基于智能電池的應用中工作。LTC1960 所能實現(xiàn)的限值完全取決于控制 IC 的軟件。雖然LTC1960的主要市場是筆記本電腦和便攜式電池應用，但其可擴展性也使其成為許多電池備份應用（例如小型服務器中的電池備份應用）的良好解決方案。

審核編輯：郭婷