消費電子產(chǎn)品中的可充電電池市場已經(jīng)達到了穩(wěn)定的成熟水平，設(shè)計電池充電器只需要在設(shè)計中加入專用電池充電器IC即可。這是因為消費電子產(chǎn)品中的電池遵循陳舊的標準，具有流行的配置、浮動電壓、充電電流、輸出電壓和充電算法。即便如此，對不適合這些標準模具的電池的需求也在不斷增長。這種需求在很大程度上是由工業(yè)綠色倡議推動的，再加上醫(yī)療和其他專業(yè)領(lǐng)域向便攜式設(shè)備的普遍轉(zhuǎn)變。

專用充電器 IC 無法跟上當前應(yīng)用多樣性的爆炸式增長。越來越多的電池設(shè)置種類繁多，從千瓦供電的室內(nèi)叉車和隔離醫(yī)療設(shè)備到微功率能量收集工業(yè)傳感器。許多應(yīng)用對最佳儲能有獨特的要求，這是現(xiàn)有充電器IC無法滿足的。

例如，市場上沒有專用的充電器IC能夠以30V或更高的浮動電壓為電池組充電，提供10A充電電流，并支持降壓-升壓、升壓或反激式拓撲中的高效充電。因此，設(shè)計人員轉(zhuǎn)向相對繁瑣的分立元件解決方案，基本上回到了前充電器IC的黑暗時代。雖然分立式解決方案可以滿足許多充電器要求，但它們無法與專用充電器IC的易用性和緊湊性相媲美。設(shè)計人員需要一種解決方案，既能保持專用充電器 IC 的簡單性，又能提供分立元件解決方案的多功能性。

凌力爾特的 LTC4000 電池充電器填補了易于使用的專用充電器 IC 支持的應(yīng)用與需要復雜分立解決方案的應(yīng)用之間的空白。LTC4000 保留了專用單 IC 充電器的簡單性，但采用 2 IC 型號以匹配分立式解決方案的應(yīng)用多功能性。它可以與任何 DC/DC 或 AC/DC 轉(zhuǎn)換器拓撲配對，包括但不限于降壓、升壓、降壓-升壓、SEPIC 和反激式。

LTC4000 承擔專用充電器 IC 無法處理的電池充電器工作。它幾乎可以與任何 DC/DC 轉(zhuǎn)換器配合使用，以產(chǎn)生完整、功能豐富的電池充電器解決方案，無需拼湊分立元件。

LTC4000 的寬輸入電壓范圍 （3V–60V） 和幾乎不受限制的電流能力可產(chǎn)生高效、高性能、全功能電池充電器，可與專用充電器 IC 的性能相媲美。圖 1 示出了一個典型應(yīng)用：LTC4000 與 LTC3786 配對以構(gòu)成一個 5A、5 節(jié)鋰離子電池充電器。

圖1.6V至21V/5A升壓轉(zhuǎn)換器充電器，用于5節(jié)鋰離子電池

功能摘要

LTC4000 可將幾乎任何凌力爾特公司的外部補償 DC/DC 電源轉(zhuǎn)換為電池充電器，其特點是：

3V 至 60V 的寬輸入和輸出電壓范圍

精確的 （±0.25%） 電阻可編程電池浮動電壓

引腳可選的定時器或電流端接

使用NTC熱敏電阻進行符合溫度要求的充電

自動充值

C/10 涓流充電，用于深度放電的電池

電池檢測和狀態(tài)指示器輸出不良

精密電流檢測可在高電流應(yīng)用中實現(xiàn)低檢測電壓

LTC4000 還包括智能電源路徑?通過低損耗外部PFET進行控制。一個外部PFET用于防止來自電池或系統(tǒng)輸出的反向電流返回到輸入。另一個PFET用于控制電池充電和放電。

在這種情況下，PFET的低損耗特性對于需要高容量電池高充電電流的系統(tǒng)至關(guān)重要。第二個PFET還具有即時啟動功能，即使連接到嚴重放電或短路故障的電池，也能提供即時下游系統(tǒng)電源。

PowerPath 控制優(yōu)先為系統(tǒng)負載供電。當輸入功率有限時，系統(tǒng)負載始終優(yōu)先于充電。此外，如果系統(tǒng)負載需要的功率超過輸入所能支持的功率，則電池用于提供額外的功率以滿足總系統(tǒng)輸出負載。

LTC4000 采用扁平 28 引腳 4mm × 5mm QFN 和 SSOP 封裝。

四個控制環(huán)路保持電池充電和輸出處于調(diào)節(jié)狀態(tài)

LTC4000 的核心是四個內(nèi)部誤差放大器，其輸出相結(jié)合以驅(qū)動外部 DC/DC 轉(zhuǎn)換器控制環(huán)路。通過這種方式，它可以控制幾乎任何電池充電周期，無論化學成分和浮動電壓如何。

圖2顯示了四個內(nèi)部誤差放大器（A4-A7）的簡化框圖。四個輸入跨導放大器中的每一個都負責不同的調(diào)節(jié)環(huán)路：輸入電流、充電電流、電池浮動電壓和輸出電壓。輸出跨導放大器 （A10） 可確保在 ITH 引腳上需要最低電壓進行調(diào)節(jié)的環(huán)路控制外部 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。

圖2.LTC4000 內(nèi)核的簡化框圖 — 四個具有組合輸出的誤差放大器

輸入電流調(diào)節(jié)環(huán)路（圖2中的A4）可防止輸入電流超過電阻可編程輸入電流限值。此輸入電流限制可防止整個系統(tǒng)使電源過載，從而實現(xiàn)更可預測和更可靠的行為。此外，這增加了一層額外的保護，以延長 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的功率組件和任何缺乏過流保護的電源的使用壽命。

另一個電流調(diào)節(jié)環(huán)路是充電電流調(diào)節(jié)環(huán)路（A5）。該環(huán)路控制充電周期的恒流階段，確保通過充電電流檢測電阻器檢測的充電電流不超過電阻可編程的全充電電流。

恒流調(diào)節(jié)環(huán)路控制充電，直到電池達到其浮動電壓。此時，電池電壓調(diào)節(jié)環(huán)路（A6）接管，充電電流開始下降，充電器進入充電周期的恒壓階段。

浮動電壓使用 BAT 引腳和 FBG 引腳之間的反饋電阻分壓器進行設(shè)置。當 V在不存在。這可確保當電池（連接到BAT引腳）是唯一可用的電源時，浮動電壓電阻分壓器不會消耗電池電流。對于 V在≥3.0V時，F(xiàn)BG引腳至GND的典型電阻為100Ω。

當電池未充電，也不為負載供電時，連接到電池的外部PFET將關(guān)閉（圖4）。在這種情況下，輸出電壓調(diào)節(jié)環(huán)路（圖2中的A7）控制外部DC/DC轉(zhuǎn)換器。輸出電壓調(diào)節(jié)環(huán)路類似于電池電壓調(diào)節(jié)環(huán)路。該環(huán)路根據(jù)CSP引腳和FBG引腳之間的反饋電阻分壓器調(diào)節(jié)CSP引腳上的電壓。這種輸出電壓調(diào)節(jié)對于確保系統(tǒng)輸出電壓在電池與負載斷開時保持良好調(diào)節(jié)非常重要。

圖3.3 系列磷酸鐵鋰的電池充電階段4電路如圖1所示的電池

圖4.輸入理想二極管和電池電源路徑控制器

電源路徑控制

LTC4000 的另一個重要特性是 PowerPath 控制，它由兩個功能組成：輸入理想二極管控制，提供從 DC/DC 轉(zhuǎn)換器到輸出的低損耗理想二極管功能;和電池 PowerPath 控制，在系統(tǒng)輸出和電池之間提供智能 PowerPath 路由。

輸入理想二極管特性提供從 DC/DC 轉(zhuǎn)換器輸出（IID 引腳—陽極）到系統(tǒng)輸出（CSP 引腳—陰極）的低損耗傳導。低損耗傳導對于大電流系統(tǒng)中的效率和熱管理非常重要。此功能還可以防止電流從系統(tǒng)輸出到 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。這種反向電流會導致電池不必要的消耗，在某些情況下可能導致不希望的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器行為。這種理想的二極管行為是通過控制柵極連接到IGATE引腳的外部PFET（M1）來實現(xiàn)的（圖4）。

連接到BGATE引腳的外部PFET的PowerPath控制器類似于驅(qū)動IGATE引腳的輸入理想二極管控制器（圖4）。不充電時，PMOS充當BAT（陽極）和CSN（陰極）引腳之間的理想二極管。理想的二極管行為允許電池在 DC/DC 輸出處于電流限制狀態(tài)或 DC/DC 對輸出端的立即負載增加反應(yīng)緩慢時向系統(tǒng)負載提供電流。此功能可確保穩(wěn)定的系統(tǒng)輸出電壓。

除了理想的二極管行為外，BGATE還允許電流在充電期間從CSN引腳流向BAT引腳。當電流從CSN引腳流向BAT引腳時，有兩個工作區(qū)域。第一種是在對嚴重放電的電池充電時（電池電壓低于 INSTANT ON 閾值，V蝙蝠（INST ON）).在此工作區(qū)域，控制器（圖4中的A11）將系統(tǒng)輸出端的電壓調(diào)節(jié)至最終浮動電壓電平的約86%。當充電到嚴重放電的電池時，此功能可提供明顯高于電池電壓的系統(tǒng)輸出電壓。這種瞬時接通功能允許 LTC4000 在獨立于電池電壓的情況下在系統(tǒng)輸出端提供足夠的電壓。

當電池反饋電壓大于或等于INSTANT ON閾值時，會出現(xiàn)第二個工作區(qū)域。在此區(qū)域中，BGATE引腳被驅(qū)動為低電平，以允許PMOS完全導通，從而降低充電電流引起的功耗。

應(yīng)用

LTC4000 具有廣泛的應(yīng)用多功能性 — 它可與一個 DC/DC 轉(zhuǎn)換器配對，以產(chǎn)生一個適用于任何電池配置的電池充電器。以下應(yīng)用說明了這種多功能性。

高電壓、大電流充電器

使用 LTC4000 和一個 DC/DC 轉(zhuǎn)換器構(gòu)建完整的充電系統(tǒng)與使用專用充電器 IC 一樣簡單。圖 5 示出了在專為 3S LiFePO 設(shè)計的充電器中控制 LT3845A 降壓型轉(zhuǎn)換器的 LTC40004電池組（3S是指串聯(lián)配置中的三節(jié)電池）。選擇 LT3845A 降壓型轉(zhuǎn)換器是因為其簡單性和高 60V 輸入電壓能力。

圖5.48V至10.8V/10A降壓轉(zhuǎn)換器充電器，用于3串聯(lián)LiFePO4電池組

每個LiFePO4電池的典型浮動電壓為3.6V，因此總浮動電壓為10.8V。10.8V浮動電壓由R設(shè)定BFB2= 133k 和 RBFB1= 1.13M。設(shè)置浮動電壓后，R 的值OFB1和 ROFB2確定 — 設(shè)置充電終止時的輸出電壓。在這里，ROFB2設(shè)置為 127k 和 ROFB1在1.15M時，將輸出調(diào)節(jié)電壓設(shè)置為12V。

設(shè)置浮動和輸出電壓后，設(shè)置電池的完全充電電流。在此特定示例中，使用R 將全充電電流設(shè)置為 10A.CS值為 5mΩ 和 RCL值為 24.9k。R兩端的穩(wěn)壓檢測電壓.CS應(yīng)盡可能大以獲得最高精度。但是，較大的檢測電壓會導致R.CS以消耗更多功率。由于充電電流調(diào)節(jié)誤差放大器的最大調(diào)節(jié)電平為1V，這意味著調(diào)節(jié)檢測電壓在R.CS限制為最大 50mV （=1V/20）。對于 10A 充電電流，該檢測電阻的最大功耗為 0.5W。

R 的任何值CL大于20K不會影響全充電電流水平，但只要小于200K，就會影響調(diào)節(jié)的涓流充電電流水平。在本例中，選擇24.9k值將涓流充電電流電平設(shè)置為1.25A。涓流充電可能發(fā)生在充電周期開始時，當電池電壓低于浮動電壓的 68% 時。這種涓流充電功能對于鋰離子電池尤其重要，因為它們需要較小的電流（通常為滿充電電流的 <20%）才能在為電池提供完全充電電流之前安全、逐漸地提高電池電壓。

唯一具有設(shè)定點的其他調(diào)節(jié)環(huán)路是輸入電流調(diào)節(jié)環(huán)路。使用與設(shè)置 R 類似的方法.CS，在本例中為 R是設(shè)置為 5mΩ，IL 引腳保持懸空狀態(tài) （內(nèi)部上拉至 1V 以上的電壓），以設(shè)置 10A 的最大輸入電流限值。

這里描述的四個簡單步驟足以定制一個LTC4000充電解決方案，以便為許多通用電池配置充電。為了進一步定制解決方案，可以選擇一些其他元件值來編程充電終止算法。LTC4000 提供了定時器終止和充電電流電平終止。

通過充電電流電平終止，當充電電流電平下降（在恒定電壓模式下）到CX引腳上編程的電平時，充電過程終止。

定時器終止時，充電過程繼續(xù)在恒定電壓模式下進行，直到使用TMR引腳上的電容器編程的時間段到期。在本例中，LTC4000 采用一個連接至 TMR 引腳的 0.1μF 電容器，設(shè)定了一個 2.9h 的定時器終止周期。連接到 CX 引腳的 22.1k 電阻設(shè)置一個 1A 充電電流電平，此時充電狀態(tài)指示器引腳 （CHRG） 處于高阻態(tài)狀態(tài)。

LTC4000 通過 NTC 引腳提供了符合溫度要求的充電。熱耦合到電池的負溫度系數(shù) （NTC） 電阻器連接在 BIAS、NTC 和 GND 引腳之間的電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)中。該NTC電阻允許在電池溫度超出特定范圍時暫停充電。在本例中，電池溫度范圍設(shè)置在 –1.5°C 至 41.5°C 之間。 符合溫度要求的充電可保護電池免受危險充電條件的影響，例如極熱或極冷，這可能會損壞電池并縮短其使用壽命。

唯一需要定制的剩余組件是CC和ITH引腳之間的串聯(lián)電阻和電容補償網(wǎng)絡(luò)，以及連接到VM引腳的電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)。作為起始值，補償網(wǎng)絡(luò)可設(shè)置為與100nF電容串聯(lián)的10k電阻。然后，可以通過查看四個調(diào)節(jié)環(huán)路中每個環(huán)路對小信號擾動的時域響應(yīng)來優(yōu)化它。在本例中，最終優(yōu)化值為 14.7k 和 47nF。

VM引腳是比較器的輸入，門限設(shè)置為1.193V。當該引腳的電壓低于閾值時，RST引腳被驅(qū)動為低電平。當它高于閾值時，RST引腳處于高阻態(tài)。通過將RST引腳連接到DC/DC RUN或SHDN引腳，該比較器可提供簡單準確的UVLO（欠壓鎖定）信號，可用于啟動外部轉(zhuǎn)換器。在本例中，輸入UVLO電平設(shè)置為14.3V。設(shè)置最小電壓可確保轉(zhuǎn)換器的輸入在其工作范圍內(nèi)，然后才允許其啟動。這反過來又使整個充電解決方案的上電行為更加一致和可預測。

具有與 10A/3 節(jié) LiFePO 類似特性的分立式解決方案4電池充電器至少需要兩個高端電流檢測放大器、四個運算放大器以及兩個高壓理想二極管控制器。其中每一項都需要單獨測試和認證，以確保其規(guī)格的兼容性，例如共模范圍、速度和輸入電源電壓范圍。此外，分立解決方案需要微處理器來處理充電算法。

如本示例所示，LTC4000 省去了這些組件，無需對其進行測試。設(shè)計簡化為根據(jù)電壓和功率要求選擇合適的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，以及一些無源元件（主要是用于設(shè)置重要充電器系統(tǒng)參數(shù)的電阻器）。

隔離式電池充電器

圖 6 示出了 LTC4000 與 LTC3805-5 配對以構(gòu)建一個具有 2A 充電電流的隔離式單節(jié)鋰離子電池充電器。此應(yīng)用展示了 LTC4000 的強大功能，它使用幾乎任何拓撲結(jié)構(gòu)的現(xiàn)成 DC/DC 轉(zhuǎn)換器來創(chuàng)建獨特的電池充電器解決方案。這種基于 LTC4000 的簡單解決方案免除了設(shè)計復雜分立式解決方案的需要。

圖6.18V–72V V在至 4.2V/2A 隔離式單節(jié)鋰離子電池充電器

利用 LTC4000，設(shè)計隔離式充電器的任務(wù)減少到選擇合適的隔離式轉(zhuǎn)換器、選擇 PFET 以及確定某些電阻器和電容器的值。對于圖 6 所示的應(yīng)用，我們使用具有高輸入電壓能力的 LTC3805-5 隔離式反激式轉(zhuǎn)換器。兩個相對低電壓的PFET用于PowerPath控制，因為次級側(cè)僅出現(xiàn)小于6V的電壓。在此特定應(yīng)用中，唯一獨特的連接是使用光耦合器將來自次級側(cè)的LTC4000的ITH反饋信號傳送到初級側(cè)LTC3805-5的ITH引腳。

由此產(chǎn)生的充電器能夠在隔離環(huán)境中以2A為單節(jié)鋰離子電池（4.2V浮動）充電。該系統(tǒng)具有 18V 至 72V 的寬輸入范圍，充電終止時間為 2.9 小時，涓流充電電流為 220mA。

整體解決方案以受控方式將系統(tǒng)總輸出電流限制在2.5A。通過防止初級電流過載，輸入電流限制為電源組件提供了額外的保護級別，并提供了更高的整體系統(tǒng)可靠性。

高壓降壓-升壓電池充電器

另一種獨特但通常要求的電池充電器解決方案是降壓升壓電池充電器。同樣，目前沒有可用的專用IC解決方案。圖 7 示出了 LTC4000 與 LTC3789 配對以創(chuàng)建一個全功能降壓-升壓型 12V 鉛酸電池充電器。

圖7.6V–36V V在至 14.4V/4.5A 降壓-升壓 6 節(jié)鉛酸電池充電器

降壓-升壓拓撲允許電池從低于或高于其浮動電壓的電壓充電，從而簡化了系統(tǒng)設(shè)計中的電池和輸入電壓選擇。然后，可以針對其他系統(tǒng)參數(shù)或此類電池組的價格和可用性優(yōu)化串聯(lián)電池的數(shù)量。同樣，通過設(shè)置兩個電阻（R.CS和 RCL）也進一步簡化了系統(tǒng)設(shè)計中的電池容量選擇。

上圖所示的 LTC4000 和 LTC3789 配對的整體充電解決方案能夠從一個范圍為 6V 至 36V 的輸入電源電壓以 4.5A 的電流對 12V 鉛酸電池 （14.4V 吸收和 13.4V 浮充） 進行充電。系統(tǒng)設(shè)置了 12.5A 的輸入電流限值，如果系統(tǒng)負載對輸入電流的要求超過 12.5A，則允許在輸入和電池之間分配負載。在源電壓范圍的低端，輸入電流迅速增加以滿足不斷增長的輸出功率需求，這一特性尤其重要。

此處所示的充電器解決方案不提供端接，允許在 13.4V 的最終浮動電壓下連續(xù)恒壓充電。通過 187k 電阻將 CHRG 引腳連接到 BFB 引腳，實現(xiàn)了鉛酸電池常見的 2 級充電算法（吸收和浮動）。整個充電算法首先充電至14.4V的吸收水平，直到充電電流降至500mA。此時，CHRG引腳處于高阻態(tài)，從而改變連接到BFB引腳的反饋電阻網(wǎng)絡(luò)。通過這種方式，電池充電器進入最終浮子恒壓模式，最終浮子目標為13.4V。如果電池降至13.1V以下（再充電閾值），CHRG引腳再次變?yōu)榈妥杩梗姵爻潆娖髟俅卧O(shè)置為將電池充電至14.4V的吸收水平。

由于這是一種降壓-升壓充電器設(shè)置，因此只需簡單調(diào)整電阻分壓器和PFET選擇，即可支持具有3V至36V浮動電壓的電池組。類似的變化允許電池充電電流從幾毫安到幾十安的編程。

圖 8 示出了 LTC4000 和 LTC3789 配對的演示板。請注意，LTC4000 及其無源元件占用的空間很小，占用的面積小于 3.6cm2.這為幾乎任何電池提供了緊湊的充電解決方案。

圖8.演示電路顯示了由LTC4000和LTC3789配對形成的完整電池充電器

結(jié)論

對替代能源需求的增加，加上便攜式工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用的爆炸式增長，導致對各種可充電電池供電系統(tǒng)的需求。其中許多系統(tǒng)都有專用電池充電器IC（面向特定電池化學成分/配置和輸入/輸出電壓）無法滿足的要求。分立式解決方案可以滿足這些系統(tǒng)的需求，但與專用IC解決方案相比，此類解決方案更難實現(xiàn)，占用更多的PC板空間，并且需要更長的設(shè)計時間。

LTC?4000 電池充電器填補了由易于使用的專用充電器 IC 支持的應(yīng)用與由更復雜的分立式解決方案支持的應(yīng)用之間的差距。LTC4000 的寬輸入電壓范圍 （3V–60V） 和幾乎不受限制的電流能力支持與任何 DC/DC 或 AC/DC 轉(zhuǎn)換器拓撲配對，包括降壓、升壓、降壓-升壓、SEPIC 和反激式。當與合適的電源轉(zhuǎn)換器配對時，LTC4000 構(gòu)成一個高效、高性能的全功能電池充電器，其占用空間通常不到 3.6cm2.

審核編輯：郭婷