社交网站上,晒个人EDC始终是一股乐此不疲的风潮。EDC(Every Day Carry)其实并不是一个新鲜玩意儿,它指的就是每天都随身携带的物品,古人佩玉出行是EDC,90年代挂在腰带上的BB机是EDC,现在出门不离手的手机等设备也是EDC。不难看出,随着时代的发展,便携式电子设备在EDC中占据了越来越多的份量,部分人群甚至会选择携带手机、手环、笔记本、数码相机、蓝牙耳机等多个设备外出,出门前确保各设备都电量充足以正常使用成为了首要任务。

 

如何提升便携式电子设备续航,并缓解其用电焦虑?充电 IC 及集成的电源管理芯片是关键所在,本文将就ADI公司的两款芯片为例,谈谈怎样给电子设备设计一颗“好心脏”。

 

 

多种输入+电池反向保护,一颗IC全搞定
生活中接触最多的设备大多基于可充电电池供电,因此在设计电源及电池管理系统时有不少讲究。不同应用设备的充电需求并不一样,无论是像化学组成、电池单元数量此类电池参数,抑或是USB输入、太阳能输入此类的输入参数,都需要电源工程师明确定义,然后据此查阅大量数据手册,最终才能给出最佳的解决方案。

 

面对众多输入电压、充电电压和充电电流组合,只有一小部分可采用基于电流集成电路(IC)的解决方案。其余更复杂的组合和拓扑,通常采用的集成电路和分立式组件组合,繁琐累赘。但其实,对于五花八门的需求,可以统统使用一款相同的电池充电器IC,都能实现最佳的效果。ADI公司推出的LTC4162 35 V/3.2 A单芯片降压充电器能够解决以上市场难题。

 

带INFET 反向隔离的LTC4162

 

LTC4162 可以对壁式适配器、背板和太阳能电池板等多种输入源进行高效功率传送,为锂离子 / 锂聚合物、磷酸铁锂 (LiFePO4) 或铅酸电池组充电,并向高达 35V 的系统负载供电。该器件提供先进的系统监控和电源通路 (PowerPath) 管理,以及电池健康状况监测功能。当要求主微控制器访问 LTC4162 最先进的功能时,可以选择使用 I2C 端口。该产品的主要充电功能可利用引脚搭接配置和编程电阻器进行调节。这款器件提供精准的 ±5% 充电电流调节 (高达 3.2A)、±0.75% 充电电压调节、以及工作在 4.5V 至 35V 的输入电压范围。其应用包括便携式医疗仪器、为 1 至 5 个设备提供 USB 功率传输、军用设备、工业手持设备和加固的笔记本电脑。

 

此外,LTC4162 的片内充电配置针对多种电池化学组成进行了优化,包括锂电池、LiFePO4 和铅酸电池。充电电压和充电电流均可根据电池温度自动调节,以遵循 JEITA 规范或定制设置。

 

对于充电IC而言,还有一个常见的问题在于电池反向阻断保护:当 Vin 输入低于电池电压,部分充电 IC 不能反向隔离电池,电池电压会通过 IC 的 Vin 进入到电源系统。传统的做法是考虑在输入增加肖特基二极管或者其它防反电路,以防止输入断开时的电池反向供电,这无疑增加了电路设计的复杂度。LTC4162 具备电池防反功能,可以防止电池电压反灌到 Vin。

 

精准电量测量带来更安心的用电体验
在部分老式电子设备中,“虚电”是一种常见的现象。虚电的设备的电池电量指示器读数和实际电池电量并不匹配,在紧急情况下甚至可能出现掉链子的情况,消费者需要一直担忧设备用电情况。实际上,电量测量设计确实存在挑战,因为电池的电气特性始终处于变化之中。例如,电池的最大容量(也称为健康状态或 SOH)和自放电速率始终随时间流逝而降低,同时充电和放电速率随温度改变而变化。设计良好的电池系统尽可能多地连续应对这类参数漂移,以向最终用户提供准确度一致的电池性能标准,例如充电时间、估计电量或预期电池寿命。

 

目前的研究显示,精确的库伦计数以及精确的电压、电流和温度是准确估计 SOC 的前提条件,迄今为止在这样的前提条件下,所产生的最低误差为 5%。这些参数使我们能够准确地确定电池位于充电或放电曲线的哪一点上,这时库伦计数不仅使电压读数更可靠,而且有助于区分曲线的任何平坦区域。ADI提供一款简便的 60 V 电池电量计LTC2944,该芯片集成了一个库伦计数器,可以非常方便地复制和粘贴到多种设计中,而不受电池化学组成的影响,专门为准确测量单节或多节电池的电量提供了最基本的功能。

 

LTC2944 以高达 99%的准确度测量电量

 

电量的本质是是电流对时间的积分。LTC2944 通过监视检测电阻器两端呈现的电压,以高达 99% 的 准确度测量电量,检测电压范围为 ±50 mV。值得一提的是,LTC2944 的库伦计数器中使用的模拟积分器引入的差分偏移电压最小,因此最大限度减小了对总体电量误差的影响。很多库伦计数电池电量计对检测电阻器两端的电压进行模数转换,并累积转换结果以计算电量。在这种方法中,差分偏移电压可能是主要的误差源,尤其是在获取小信号读数时。例如,考虑一个电池电量计,该电量计采用基于 ADC 的库伦计数器,最大规定差分电压偏移为 20μV,当以数字方式对 1 mV 输入信号进行积分时,偏移导致的电量误差会是 2%。相比之下, 使用 LTC2944 的模拟积分器时,偏移导致的电量误差仅为 0.04%,为前者的 1/50!

 

LTC2944的另一独到之处在于其数字 I 2 C 接口以及高压功能,用户可以通过接口直接从 LTC2944 读出电池电量、电压、电流和温度。电压方面,LTC2944 可直接从 低至 3.6 V 的电池到高达 60 V 的满充电电池组供电,从而满足了从低功率便携式电子产品到大功率电动型汽车的任何应用的需求。无需在电源或测量引脚上使用额外的电平移位电路而使设计复杂化, 电池(或电池组)与 LTC2944 之间可以直接连接, 这极大地简化了硬件设计。最大限度减少外部组件 数量也降低了总体功耗,并提高了准确度,因为不存在电阻分压器等组件。

 

总结
便携式电子设备想要获得一个好的使用体验,保证其电源可靠性是最基础也是最重要的前提。随着便携式电子设备的小型化、轻薄化,其电源设计总是需要在在体积、可靠性、功能、效率、散热、价格等方面进行平衡,并给设计人员带来越来越严峻的挑战。ADI提供的多种功能 IC可帮助电源工程师专注于应用解决方案,使产品在众多要求中达到一个合理的平衡,并给消费者带来更良好的使用体验。