55V 高效率降压-升压型电源管理器和多化学组成电池充电器

55V 高效率降压-升压型电源管理器和多化学组成
电池充电器
设计要点 531
Charlie Zhao
引言
如今,人们期望电池充电器能够容易地支持多种化学
组成并接受众多的电压输入,包括广泛的太阳能电池
板。输入电压范围覆盖到输出电池电压以上和以下的
情况越来越常见,因而需要其兼具降压和升压能力
(降压-升压拓扑)。LTC®4020 降压-升压型电源管理器
和多化学组成电池充电控制器能接受 4.5V 至 55V 的
宽范围输入,并产生高达 55V 的输出电压。其降压升压型 DC/DC 控制器可向电池和系统提供高于、低
于或等于器件输入的电压。
充电器可容易地针对多种电池化学组成进行优化。例
如:其可遵循一种恒定电流 / 恒定电压 (CV/CC) 充电算
法,采用 C/10 或定时终止 (针对基于镍的电池系统);
一种采用定时终止的恒定电流 (CC) 特性;或者一种
优化的 4 步、3 级铅酸电池充电模式。
用于 25.2V 电池浮动电压的 6.3A 充电器
图 1 示出了一个 15V 至 55V 输入、25.2V/6.3A 降压升压电池充电器,其具有一个高效率四开关 (M2–M5)
、LT、LTC、LTM、Linear Technology 和 Linear 标识是凌力尔特公司的注
册商标。PowerPath 是凌力尔特公司的商标。所有其他商标均为其各自拥有者
的产权。
图 1:15V 至 55V 输入、25.2V/6.3A 降压-升压型电池充电器
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同步降压-升压型 DC/DC 转换器,仅需一个电感器
(L1) 。专有的平均电流模式架构采用两个检测电阻器
(RCBRT1 和 RCBRB1) 来监视电感器电流。在该降压-升
压型解决方案中,当 VIN 高于 VOUT 时,转换器在降
压模式工作;当 VIN 低于 VOUT 时,转换器则工作在
升压模式。当 VIN 接近 VOUT 时,转换器工作于四开
关降压-升压模式。
PowerPath FET ( 图 1 中的 M1 ) 配置为一个线性稳压
器,从而允许降压-升压型转换器输出升至高于电池
电压,同时仍然向电池提供充电电流。该功能被称为
PowerPath 即时接通,此时 PowerPath FET 充当一个高
阻抗电流源,负责为电池提供充电电流。
当电池充电器不处于充电周期时 ( 即是降压-升压型
转换器专为系统负载而运作 ) ,LTC4020 自动地把
PowerPath FET 配置为一个理想二极管。这允许电池在
正常操作期间与转换器输出保持断接。然而,假如系
统负载电流超过了降压-升压型转换器的供电能力,则
可通过该理想二极管有效地从电池抽取额外的功率。
其他特点
LTC4020 支持基于定时器的充电算法,一个连接在
TIMER 引脚和地之间的电容器负责设置充电周期的
完结。
图 2:针对图 1 转换器的效率与负载电流 IOUT
之关系曲线 (VOUT = 25.2V)
转换器以一个可编程的恒定开关频率运作,该频率
处于 50kHz 至 500kHz 的范围内,采用一个电阻来设
定 (R13 = 100k,250kHz)。图 1 示出的这款解决方案
能够为系统负载提供高达 8A (VOUT = 25.2V)。如图
2 所示,满负载效率 (IOUT = 8A,VIN = 24V) 可达
98% 以上。
LTC4020 采用一个从 BAT 引脚引出的外部反馈电阻
分压器以通过 VFB 引脚来设置电池电压。PowerPath™
(电源通路 ) FET (M1) 在正常电池充电期间处于导通
状态,可能的情况下会在电池与降压-升压型转换器输
出之间形成一种低阻抗连接。电池充电电流通过一个
检测电阻 (RCBAT1) 来监视。最大平均电池充电电流
可容易地通过选择 RCBAT1 的阻值来设置。动态电流
限值调整可以通过 RNG/SS 引脚实现。
利用 PowerPath FET 实现即时接通和理想
二极管功能
LTC4020 具有电池温度监视和控制功能。通过把一
个 NTC (负温度系数) 热敏电阻连接至 NTC 引脚,并
将该热敏电阻布设在电池组 (或其他需要的监视位置)
之附近,如果 NTC 引脚电压超出范围 (高于 1.35V 或
低于 0.3V) ,则 LTC4020 将触发一个 NTC 故障并停
止电池充电。
LTC4020 的 VIN_REG 引脚负责提供输入电压调节。该
引脚可用于设置一块太阳能电池板的峰值电源电压,
或为其他的高阻抗输入电源保持一个最小电压。
LTC4020 具有两个集电极开路输出 (STAT1 和 STAT2),
用以报告充电器状态和故障状况。这两个引脚进行
了二进制编码。
结论
LTC4020 是一款通用的高电压、高效率降压-升压型
电源管理器和多化学组成电池充电器,支持输入电
压高于、低于或等于输出向电池或系统供电。其扁
平的 (仅高 0.75mm) 耐热性能增强型 38 引脚 5mm x
7mm QFN 封装适合于便携式工业和医疗设备、太阳
能供电型系统、军用通信设备、以及 12V 至 24V 嵌入
式汽车系统。
对于一个严重放电的电池,LTC4020 能够自动地将
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