用于 48V 電源的完整單 IC 電源管理電池維護(hù) / 后備系統(tǒng)

提高便攜性是電子設(shè)備一個共同的發(fā)展趨勢;就是因?yàn)橛腥?ldquo;拔掉了 電源插頭”設(shè)備就被關(guān)斷了，這種說法不再會被普遍接受。為了實(shí)現(xiàn)便攜式功能，設(shè)備必須內(nèi)置高級電源管理系統(tǒng)，其可控制從可用能量源至合適系統(tǒng)的電源通路、 保持后備元件處于滿充電和就緒狀態(tài)、并確保系統(tǒng)始終擁有足夠的功率。

對于許多便攜式設(shè)備 (例如：工作在低電壓和低功率級別的智能手機(jī)或平板電腦)，我們擁有現(xiàn)成的精致、單 IC 電源管理解決方案。面向高功率和高電壓系統(tǒng) (比如：許多工業(yè)或醫(yī)療設(shè)備所需的此類系統(tǒng)) 的電源管理解決方案通常需要使用笨重和復(fù)雜的專用分立式組件解決方案。LTC4020 把先進(jìn)的電源管理功能整合到一款高電壓和高功率單 IC 解決方案中，從而簡化了這些環(huán)境中的電源管理。

LTC4020 具有一個四開關(guān)降壓 / 升壓型 DC/DC 電源轉(zhuǎn)換器、針對優(yōu)化電池充電的支持、以及凌力爾特專有的電源通路 (PowerPathTM) 系統(tǒng) / 電池電源管理功能。LTC4020 能針對負(fù)載變化、電池充電要求和輸入電源限制條件來管理系統(tǒng)輸入電源、后備電池和轉(zhuǎn)換器輸出之間的功率分配。

單電感器 DC/DC 降壓 / 升壓控制器可接受高達(dá) 55V 的輸入電壓，并產(chǎn)生低于、高于或等于輸入電壓的輸出電壓。內(nèi)置的電池充電器可通過配置以提供專為基于鋰的電池而優(yōu)化的恒定電流 / 恒定電壓 (CC/CV) 充電模式、3 級鉛酸電池充電模式或者改進(jìn)型定時器充電終止恒定電流算法 (CC)，該算法類似于鋰電池充電模式，但其不包含低電壓預(yù)查驗(yàn)和充電周期重啟功能。

采用 CC 模式充電以放寬針對 48V 鉛酸電池充電器的規(guī)則要求

當(dāng) LTC4020 被配置在專為鉛酸電池而優(yōu)化的充電模式中時，吸收充電期間的調(diào)節(jié)電壓為典型電池系統(tǒng)電壓的 120% (即：對于一個“12V”鉛酸電池為 14.4V)。不幸的是，內(nèi)置的鉛酸電池充電算法不能用于 48V 系統(tǒng)電池，因?yàn)槲粘潆婋妷簩⒊^ LTC4020 的最大工作電壓。這可以通過實(shí)現(xiàn)一個采用恒定電流 (CC) 充電算法的高電流浮動充電器來輕松地解決。

CC 充電算法通過將 LTC4020 的 MODE 引腳置于不連接狀態(tài)來啟用。一個反饋電阻分壓器負(fù)責(zé)設(shè)置對應(yīng)于 VFB = 2.5V 的期望電池浮動充電電壓。CC 充電算法啟用最大編程充電電流，直至達(dá)到浮動調(diào)節(jié)電壓。當(dāng)保持浮動調(diào)節(jié)電壓時，鉛酸電池浮動充電器必須能夠持續(xù)地向電池供應(yīng)電流，因此充電功能不會終止。 CC 充電模式能夠通過設(shè)定 TIMER = 0V 來適應(yīng)這一要求，采用這種設(shè)置將停用定時器功能，進(jìn)而停用充電終止功能，于是充電循環(huán)將無限期地繼續(xù)下去。

具有后備鉛酸電池的 48V 系統(tǒng)電源

圖 1 示出了將 LTC4020 配置為具有一個集成型后備電池浮動充電器的 48V 系統(tǒng)電源之情形。該電源的核心組件是一個平均電流模式降壓 / 升壓型 DC/DC 控制器，其采用了 4 個外部 NFET 作為開關(guān)元件，能提供 265W 的可用系統(tǒng)輸出功率。

圖 1：具有 265W 轉(zhuǎn)換器輸出能力、5A 電池充電電流和 53.75V 系統(tǒng) / 浮動充電電壓輸出的 36V~55V 至 24 節(jié)鉛酸電池 (48V) 浮動充電器 / 系統(tǒng)電源

該轉(zhuǎn)換器依靠一個 36V 至 55V 的輸入電源供電運(yùn)作，其平均電感器電流被限制在 8.3A。轉(zhuǎn)換器電流限值利用兩個與 SiS862DN 開關(guān) FET M1 和 M2 相串聯(lián)的 6mΩ 檢測電阻器 (RSENSE1 和 RSENSE2) 來設(shè)置。在整個工作電壓范圍內(nèi)，DC/DC 轉(zhuǎn)換器可在其輸出端上提供至少 5A 的電流。

RSHDN1 和 RSHDN2 在 SHDN 引腳上形成了一個分壓器，其負(fù)責(zé)將輸入停機(jī)電壓設(shè)定為 VIN = 35V，從而在輸入低于 35V 時停用 DC/DC 轉(zhuǎn)換器和電池充電器功能，這就可在電源使能時提供滿負(fù)載電流。這里使用的 SiS862DN 開關(guān) FET 具有各 10nC 左右的典型 QG，因此，當(dāng)利用電阻器 RT 將工作頻率設(shè)定為 250kHz 時，VIN = 55V 條件下的 QG(TOTAL) • fO 處在 LTC4020 的規(guī)定 INTVCC 傳輸元件 SOA 指標(biāo)范圍內(nèi)。

如前文所述，該 IC 采用一種恒定電流 / 恒定電壓充電模式來對一個含 24 節(jié) (48V) 鉛酸電池的后備電池組進(jìn)行充電和保持。最大電池充電電流由 RCS 設(shè)置為 5A，到實(shí)現(xiàn)了 53.75V 的滿充電浮動電壓時可提供該電流。電池電壓利用一個電阻分壓器 (RFB1 和 RFB2) 來監(jiān)視，其負(fù)責(zé)設(shè)置 53.75V (即每節(jié)電池 2.24V) 的滿充電浮動電壓。該分壓器通過 FBG 引腳來參考，當(dāng) LTC4020 處于運(yùn)作狀態(tài)時，F(xiàn)BG 引腳短路至地，而當(dāng)該 IC 停用時，F(xiàn)BG 引腳則變至高阻抗，從而減小了電池上的寄生負(fù)載。

LTC4020 優(yōu)先向系統(tǒng)負(fù)載和電池充電功能電路供電，而系統(tǒng)負(fù)載的優(yōu)先級始終高于充電電源，因此在承擔(dān)重負(fù)載期間如有必要將減小電池充電電流。倘若系統(tǒng)負(fù)載超過了 LTC4020 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的供電能力，那么電池電流將改變方向，而且負(fù)載電流將由電池提供以補(bǔ)充轉(zhuǎn)換器輸出。

當(dāng) VIN 電源斷接時，所有的 LTC4020 功能將終止，電池負(fù)責(zé)向輸出提供所需的功率。從電池經(jīng)由轉(zhuǎn)換器的反向傳導(dǎo)被開關(guān) FET M4 所阻斷，電池電壓監(jiān)察電阻分壓器通過引腳 FBG 實(shí)現(xiàn)斷接，流入 IC 的總電池電流減小至 10µA 以下，從而可在需要一種無負(fù)載儲存條件時最大限度地延長電池壽命。

圖 2：針對圖 1 所示電路的最大電池充電電流

圖 3：可用轉(zhuǎn)換器輸出電流 (系統(tǒng)負(fù)載電流 + 電池充電電流) 與輸入電壓的關(guān)系

結(jié)論

LTC4020 是一款單 IC 電源管理解決方案，適用于任何需要電池后備或電池供電型遠(yuǎn)程操作的高功率設(shè)備。集成型降壓 / 升壓 DC/DC 控制器能夠?yàn)橐粋€高于、低于或等于輸入電壓的電壓軌供電。該 IC 運(yùn)用了一種智能電源通路 (PowerPath) 拓?fù)洌鋵⒖刂破鬏敵龊喜⒌揭粋€全功能多化學(xué)組成電池充電器中。該充電器包括一個用于充電循環(huán)控制和實(shí)時充電循環(huán)監(jiān)察的內(nèi)部定時器，其采用二進(jìn)制編碼狀態(tài) 引腳。三種引腳可選的充電模式利用優(yōu)化的充電特性提供了適合大多數(shù)常見電池類型的通用性。