Mark Gurries

為了節(jié)省空間并提供更長的電池運(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)對兩個(gè)電池進(jìn)行充電和放電，而不是傳統(tǒng)上更簡單的順序方法。

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晶體管來打開和關(guān)閉電源，并使它們像二極管一樣工作，但沒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。欠壓檢測器觀察負(fù)載處的突然電壓損失，并在 10 微秒內(nèi)打開所有電源，無需主機(jī)干預(yù)。在發(fā)生CPU過壓情況或任何其他系統(tǒng)級危機(jī)時(shí)，主機(jī)還可以在緊急情況下通過高速關(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 充電器通過在低電流模式下提供一種任選的脈沖充電來解決這一問題。獲得專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，避免過度設(shè)計(jì)和更高的成本。過壓比較器檢測到電池突然斷開并關(guān)閉充電器，直到過壓條件清除。

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)間長一倍以上（見圖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)致更長的運(yùn)行時(shí)間，增加 12% 或更多。

圖2.雙放電延長了運(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時(shí)間才能達(dá)到其全部容量。具體來說，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)均流允許相對于單個(gè)電池以更高的電流速率充電?？傊?，相對于順序方法，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)上的電壓來管理電源。如果負(fù)載斷電，可編程電壓比較器會(huì)檢測到它，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、開發(fā)時(shí)間、PCB 空間和零件數(shù)量，同時(shí)提供了相對于當(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