許多新技術(shù)，在提高性能的同時(shí)也增大了系統(tǒng)的功率消耗。對(duì)生產(chǎn)電池的化工企業(yè)來(lái)說(shuō)，電池生產(chǎn)技術(shù)的實(shí)質(zhì)性進(jìn)展是很困難的，耗時(shí)長(zhǎng)、成本高。所以必須尋找尋找優(yōu)化電源保存的方法。智能電池系統(tǒng)（SBS）是出現(xiàn)的最有希望的技術(shù)，可以大大提升電池組的性能。

在計(jì)算機(jī)工業(yè)界，對(duì)鋰離子電池真是又愛又怕。在鋰離子電池應(yīng)用的早期所發(fā)生的事故，仍然讓曾涉入的公司記憶猶新。他們得到了印象深刻的教訓(xùn)：在任何情況下，都不能超過(guò)鋰離子電池的額定參數(shù)，否則肯定會(huì)引起爆炸或起火。除電池的化學(xué)成份或電極等參數(shù)外，對(duì)鋰離子電池來(lái)說(shuō)，還有幾個(gè)確定的參數(shù)，如果超過(guò)了會(huì)使電池進(jìn)入失控的狀態(tài)。在解釋這些參數(shù)的圖表中（參考鋰離子參數(shù)圖），相應(yīng)閾值曲線外的任一點(diǎn)都是失控狀態(tài)。隨電池電壓增加，溫度閾值下降。另一方面，任何致使電池電壓超過(guò)其設(shè)計(jì)值的行為都會(huì)導(dǎo)致電池過(guò)熱。

謹(jǐn)防充電器造成危害

電池組制造商設(shè)定了幾層電池和包裝保護(hù)，以防止危險(xiǎn)的過(guò)熱狀態(tài)。但在電池使用中有一個(gè)部件可能會(huì)使這些措施失敗從而造成危害，這一器件就是充電器。

充電鋰離子電池造成危害的途徑有三種：電池電壓過(guò)高（最危險(xiǎn)的情況）；充電電流過(guò)大（過(guò)大充電電流造成鋰電鍍效應(yīng)，從而引起發(fā)熱）；不能正確地終止充電過(guò)程，或在過(guò)低的溫度下充電。

鋰離子電池充電器的設(shè)計(jì)人員采取額外的預(yù)防性措施以避免超出這些參數(shù)的允許范圍。以絕對(duì)保證系統(tǒng)有關(guān)參數(shù)工作在安全的范圍內(nèi)。例如智能電池充電器規(guī)范，允許-9%的電壓負(fù)偏差，但強(qiáng)調(diào)正偏差不得超過(guò)1%。保證了符合智能電池安全標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)然，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，偏差的正負(fù)是隨機(jī)的。所以符合此規(guī)范的設(shè)計(jì)經(jīng)常是使充電器的目標(biāo)電壓值設(shè)定在額定值的-4%附近。

由于充電電壓的不準(zhǔn)確（不管是-4%還是-9%），電池始終處于充電不足的狀態(tài)。對(duì)鋰離子電池潛在危險(xiǎn)的恐懼導(dǎo)致電池組容量的利用率很低。根據(jù)業(yè)界專家的經(jīng)驗(yàn)，即使充電后電壓只比額定值低0.05%，容量的下降卻高達(dá)15%。

電池內(nèi)置入計(jì)算機(jī)

智能電池技術(shù)的原理是很簡(jiǎn)單的，在電池內(nèi)置入小型計(jì)算機(jī)來(lái)監(jiān)視和分析所有的電池?cái)?shù)據(jù)，以精確預(yù)報(bào)剩余電池容量。剩余電池容量可以直接換算成便攜式計(jì)算機(jī)的剩余工作時(shí)間。與原始的僅靠電壓監(jiān)測(cè)的容量測(cè)量方法相比，可以立即使工作時(shí)間延長(zhǎng)35%。遺憾的是，智能電池技術(shù)也就只能做到這么多了。除非可以和充電器電路互相通信，他們不可以確定其操作環(huán)境或?qū)Τ潆娺^(guò)程進(jìn)行控制。

在“智能電池系統(tǒng)”環(huán)境下，在特定的電壓和電流情況下，電池請(qǐng)求智能充電器對(duì)其進(jìn)行充電。然后，智能充電器負(fù)責(zé)根據(jù)請(qǐng)求電壓和電流參數(shù)對(duì)電池進(jìn)行充電。充電器依靠自己內(nèi)部的電壓和電流參考調(diào)整自己的輸出，以與智能電池請(qǐng)求的值相匹配。由于這些基準(zhǔn)的不準(zhǔn)確度可達(dá)-9%，所以充電過(guò)程可能在電池只是部分充電的情況下結(jié)束。

對(duì)充電環(huán)境的更詳細(xì)了解可以揭示出更多影響鋰離子電池充電效率的問(wèn)題。即使在最理想的情況下，假設(shè)充電器的精確度為100%，充電通路上位于充電器的電池間的電阻元件引入了額外的壓降，特別是恒流充電階段。這些額外的壓降導(dǎo)致充電過(guò)程過(guò)早地從恒流進(jìn)入恒壓階段。由于電阻引入的壓降隨電流降低會(huì)逐漸減弱，充電器最終會(huì)完成充電過(guò)程。但充電時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)。恒流充電過(guò)程中能量的轉(zhuǎn)移效率要高一些。

消除電阻壓降

最理想的情況是充電器的輸出準(zhǔn)確地消除了電阻壓降的影響?？赡軙?huì)有人提出這樣的解決方案，在充電過(guò)程的所有階段，智能充電器利用智能電池內(nèi)監(jiān)測(cè)電路數(shù)據(jù)監(jiān)視并校正自己的輸出。對(duì)單個(gè)電池系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這是可行的，但對(duì)雙或多電池系統(tǒng)就不太適用了。

在雙電池系統(tǒng)中，如果可能的話，最好是同時(shí)對(duì)兩個(gè)電池進(jìn)行充放電操作。雖然電池充電是并行的，典型的只有一個(gè)SMBUS端口的充電器還是不能勝任這一工作。因?yàn)槿绻挥幸粋€(gè)SMBUS端口，充電器或其它SMBUS設(shè)備，只能同時(shí)與一個(gè)電池進(jìn)行通信。所以，理想的系統(tǒng)應(yīng)該提供兩個(gè)或更多個(gè)SMBUS端口，這樣，兩個(gè)電池就可以同時(shí)與充電器通信了。

智能電池系統(tǒng)（SBS）管理器

除提供多個(gè)SMBUS端口以外，SBS管理器技術(shù)也可以大幅提升鋰離子智能電池的性能。SBS管理器是SBS的一部分，由SBS1.1規(guī)范所定義。它代替了前一版本中定義的智能選擇器（Smart Selector）。

SBS管理器一方面提供了與驅(qū)動(dòng)器和振作系統(tǒng)端的接口，另一方面則對(duì)智能電池和充電器進(jìn)行管理。驅(qū)動(dòng)器可讀取和請(qǐng)求發(fā)送與電池、充電器和管理器本身有關(guān)的信息。規(guī)范中定義了與這一信息傳輸有關(guān)的接口。在一個(gè)多電池系統(tǒng)中，SBS管理器負(fù)責(zé)選擇系統(tǒng)電源，決定在特定的時(shí)刻對(duì)那一塊電池進(jìn)行充電或放電。簡(jiǎn)短來(lái)說(shuō)就是，SBS管理器確定對(duì)哪一塊電池進(jìn)行充電，哪一塊進(jìn)行放電，以及什么時(shí)候進(jìn)行。

一個(gè)實(shí)現(xiàn)得好的SBS管理有幾大優(yōu)點(diǎn)：更完全、更快速的充電過(guò)程、同時(shí)進(jìn)行高效充電和放電、以及對(duì)危險(xiǎn)情況（如潛在的電壓超限）的檢測(cè)和快速反應(yīng)能力。可以監(jiān)測(cè)電池本身電壓的SBS管理器可將電池充到其真實(shí)的容量?？梢员苊庥捎谥悄艹潆娖饔捎诒O(jiān)視電壓不準(zhǔn)（如前所述，一般為-4%到-9%）而造成的充電不足。此外，這一過(guò)程并不需要特別精確的基準(zhǔn)電壓（精確的電壓基準(zhǔn)是很昂貴的）。

避免使用精確電壓基準(zhǔn)的策略是利用智能電池內(nèi)部的測(cè)量電路測(cè)量電池電壓，其精度可達(dá)1%。這樣，SBS管理器可命令充電器適當(dāng)增高電壓直到監(jiān)測(cè)到的電壓達(dá)到合適的值。實(shí)現(xiàn)得好的SBS管理器可使電池的充電過(guò)程比傳統(tǒng)充電器快16%。安全地提高充電器的輸出電壓，使其高于電池的額定電壓以補(bǔ)償由于電池的內(nèi)部電阻及回路電阻造成的壓降。通過(guò)監(jiān)測(cè)電池內(nèi)部電壓并可迅速調(diào)整充電器電壓，可以實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程。

何時(shí)及如何充電

SBS管理器可以決定什么時(shí)候同時(shí)對(duì)電池組進(jìn)行充電。同時(shí)充電允許更好地利用充電器的電流進(jìn)行充電。在單電池系統(tǒng)中，當(dāng)進(jìn)入恒壓充電模式時(shí)，充電器提供的充電電流隨電池充滿程度的提高而減小。沒(méi)有用到的電流被浪費(fèi)掉了。在利用SBS管理器的雙電池系統(tǒng)中就不是這樣了，對(duì)一塊電池充電時(shí)利用不上的電流可以為另一塊所用。

而且，SBS管理器可以判斷哪一塊電池的狀態(tài)可以更快地進(jìn)行能量傳輸?？梢宰羁斓卦黾酉到y(tǒng)容量的電池最先被充電，哪些可以充入更多的能量的電池則先被快速放電。這樣可以加快充電過(guò)程達(dá)60%。SBS管理器還可決定何時(shí)使能同時(shí)放電功能。適當(dāng)?shù)耐瑫r(shí)放電可以使系統(tǒng)容量增加16%之多。

當(dāng)然，所有這些改進(jìn)對(duì)電池的性能來(lái)說(shuō)都必須是安全的。正如前面討論過(guò)的一樣，鋰離子電池有一額定電壓。當(dāng)加到電池上的電壓達(dá)到最大值時(shí)，充電過(guò)程從恒流轉(zhuǎn)換至恒壓模式。對(duì)這一轉(zhuǎn)換點(diǎn)的檢測(cè)，是由智能充電SBS管理器負(fù)責(zé)的，根據(jù)是測(cè)量到的電池電壓。但SBS管理器比智能充電器的巨大優(yōu)點(diǎn)是，它可以不斷監(jiān)視和校正充電器以及電池電壓。這樣在達(dá)到電池的最大容量的情況下還保證了安全。

由于計(jì)算機(jī)等設(shè)備性能不斷提高，能量的需要增長(zhǎng)很快，化學(xué)電池的改進(jìn)還無(wú)法趕上這一增長(zhǎng)速度。雖然SBS技術(shù)非常有幫助，但總會(huì)有一天僅靠SBS技術(shù)無(wú)法提供高性能系統(tǒng)需求的功率，需要更為智能化的電源管理方案。

如果那個(gè)OEM廠商可以使筆記本電腦持續(xù)工作6個(gè)小時(shí)而不會(huì)明顯地影響到性能，就會(huì)迅速占領(lǐng)市場(chǎng)。SBS管理器朝這一目標(biāo)邁進(jìn)了一大步。

便攜式電源應(yīng)用領(lǐng)域?qū)挿憾鄻?。產(chǎn)品涵蓋了從平均功耗僅幾 μW 的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)到采用好幾百瓦時(shí)電池組的車載式醫(yī)療或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等眾多門類。然而，盡管品種繁多，但它們卻呈現(xiàn)出了相對(duì)一致的發(fā)展趨勢(shì) ━━ 設(shè)計(jì)人員不斷地要求其產(chǎn)品擁有較高的功率以支持更多的功能，并指望能從任何可用的電源來(lái)給電池充電。第一個(gè)趨勢(shì)要求增加電池容量。不幸的是，用戶常常缺乏耐心，而且增加的電池容量必須要在合理的時(shí)間之內(nèi)完成充電，這就必然導(dǎo)致充電電流的增大。第二個(gè)趨勢(shì)則要求電池充電解決方案具有巨大的靈活性。我們將對(duì)這些問(wèn)題逐個(gè)進(jìn)行較為詳細(xì)的探究。

更高的功率

新式的手持設(shè)備 （無(wú)論是消費(fèi)類設(shè)備還是工業(yè)設(shè)備） 都有可能包括一個(gè)蜂窩電話調(diào)制解調(diào)器、一個(gè)WiFi模塊、一個(gè)藍(lán)牙模塊、一個(gè)大型的背面照明顯示器等等。許多手持式設(shè)備的電源架構(gòu)都可通過(guò)蜂窩電話反映出來(lái)。通常，3.7V 的鋰離子電池因其很高的重量 （Wh/kg） 和體積 （Wh/m3） 能量密度而被用作主電源。過(guò)去，不少高功率密度設(shè)備都采用一個(gè) 7.4V 鋰離子電池以降低電流需求，但廉價(jià)的 5V 電源管理 IC 的面市使得越來(lái)越多的手持式設(shè)備轉(zhuǎn)而采用較低電壓架構(gòu)。平板電腦很好地體現(xiàn)了這一點(diǎn) ━━ 標(biāo)準(zhǔn)的平板電腦擁有豐富的功能以及非常大 （用于便攜式設(shè)備） 的屏幕。當(dāng)采用一個(gè) 3.7V 電池來(lái)供電時(shí)，電池的容量必須達(dá)到幾千mAh。為了能夠在幾個(gè)小時(shí)之內(nèi)完成此類電池的充電，需要幾千mA的充電電流。

然而，消費(fèi)者同樣希望能夠在沒(méi)有可用的大電流墻上適配器時(shí)從一個(gè) USB 端口來(lái)為其高功率設(shè)備充電，這種愿望并未因?yàn)樯鲜龅母叱潆婋娏鞫欢糁?。為了滿足這些要求，在可以使用墻上適配器時(shí)，電池充電器必須要能夠以高電流 （>2A） 進(jìn)行充電，但仍然可以高效地利用 USB 端口所提供的 2.5W 至 4.5W 功率。此外，產(chǎn)品還必需避免敏感的下游低電壓組件遭受有可能造成損壞的過(guò)壓，將高電流從一個(gè) USB 輸入、一個(gè)墻上適配器或電池?zé)o縫地引導(dǎo)至負(fù)載，并最大限度地降低功率損耗。與此同時(shí)，IC 必須安全地管理電池充電算法并監(jiān)視關(guān)鍵的系統(tǒng)參數(shù)。

解決單節(jié)電池供電型便攜式產(chǎn)品的電源難題

盡管似乎無(wú)法找到單個(gè) IC 來(lái)滿足上述要求，但不妨考慮一下 LTC4155，這是一款高功率、I2C 控制、高效率 PowerPathTM管理器、理想二極管控制器和鋰離子電池充電器。該器件設(shè)計(jì)用于從多種 5V 電源高效地輸送高達(dá) 3A 的電流，可為電池充電及系統(tǒng)用途提供 3.5A 以上的電流。即使在這些高電流水平下，LTC4155 的 88% ~ 94% 效率仍然可使熱預(yù)算限制條件有所放寬。LTC4155 的開關(guān) PowerPath 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可對(duì)從兩個(gè)輸入電源 （比如：墻上適配器和 USB 端口） 至設(shè)備的可再充電鋰離子電池的功率輸送進(jìn)行無(wú)縫管理，并在輸入功率有限時(shí)優(yōu)先向系統(tǒng)負(fù)載供電。

LTC4155 的開關(guān)穩(wěn)壓器起一個(gè)變壓器的作用，允許 VOUT 上的負(fù)載電流超過(guò)輸入電源所吸收的電流，與常用的線性模式充電器相比，大幅度地改善了電池充電可用功率的使用效率。如前面的例子所示，LTC4155 能夠以高達(dá) 3.5A 的電流進(jìn)行高效充電，從而縮短充電時(shí)間。與普通的開關(guān)電池充電器不同，LTC4155 具有“即時(shí)接通”操作能力，以確保在插入電源時(shí)可立即獲得系統(tǒng)功率，即使所采用的是一個(gè)失效的電池或深度放電的電池也不例外。

在對(duì)電池進(jìn)行高速充電時(shí)，監(jiān)視電池的安全性是很重要的。LTC4155 將在電池溫度下降至 0℃ 以下或上升至 40℃ 以上 （由一個(gè)外部負(fù)溫度系數(shù) [NTC] 熱敏電阻負(fù)責(zé)測(cè)量） 時(shí)自動(dòng)停止充電。除了這種自主特性之外，LTC4155 還提供了一個(gè) 7 位擴(kuò)展標(biāo)度模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC），用于以大約 1℃ 的分辨率來(lái)監(jiān)視電池的溫度。結(jié)合 4 種可用的浮置電壓設(shè)定值和 15 種電池充電電流設(shè)定值，該 ADC 能夠用于建立基于電池溫度的定制充電算法。

通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的二線式 I2C 端口可獲得 NTC ADC 結(jié)果，從而據(jù)此調(diào)整充電電流和電壓設(shè)定值。該I2C 端口還通過(guò)控制 16 種輸入電流限制設(shè)定值 （包括可兼容 USB 2.0 和 3.0 規(guī)格的設(shè)定值） 提供了與 USB 規(guī)范的兼容性。通信總線允許 LTC4155提供額外的狀態(tài)指示信息，例如：輸入電源狀態(tài)、充電器狀態(tài)和故障狀態(tài)。USB OTG （On-The-Go） 支持能力可在未采用任何附加組件的情況下提供一個(gè)返回 USB 端口的 5V 電源。

LTC4155 的雙輸入、優(yōu)先級(jí)多路復(fù)用器可根據(jù)用戶定義的優(yōu)先級(jí) （適配器輸入是默認(rèn)的優(yōu)先選擇） 自主選擇最合適的輸入 （墻上適配器或 USB）。過(guò)壓保護(hù) （OVP） 電路用于同時(shí)保護(hù)兩個(gè)輸入免遭因意外施加高電壓或反向電壓而造成的損壞。LTC4155 的理想二極管控制器可確保始終能夠向 VOUT 提供足夠的功率，即使輸入功率不足或缺失也不例外。

對(duì)于諸如平板電腦或工業(yè)條形碼掃描儀等許多便攜式應(yīng)用而言，管理兩個(gè)輸入 （例如：USB和墻上適配器） 就足夠了。不過(guò)，便攜式設(shè)備的設(shè)計(jì)人員仍在繼續(xù)探尋能夠從任何可用電源來(lái)給電池充電的方法。

多種輸入電源

諸多原因?qū)е掠脩粝Ｍ麖亩喾N輸入電源來(lái)給電池充電。某些應(yīng)用有可能需要脫離電網(wǎng)并指望由太陽(yáng)能板來(lái)供電。其他的應(yīng)用則希望擁有能夠從墻上適配器、汽車電池或者高電壓工業(yè)或電信電源進(jìn)行充電的便利。不管是什么原因，這種要求都給電池充電系統(tǒng)施加了一個(gè)沉重的負(fù)擔(dān)。大多數(shù)電池充電器均利用一種降壓 （開關(guān)或線性） 架構(gòu)從一個(gè)高于最大電池電壓的電壓電源來(lái)給電池充電。早先的充電器產(chǎn)品通常被限制于大約 30V 的輸入電壓。此類局限性導(dǎo)致設(shè)計(jì)人員無(wú)法考慮將電信電源作為可行的輸入電源，或者采用具有 42V 開路電壓的太陽(yáng)能板。在某些場(chǎng)合中，期望輸入電源的電壓范圍既會(huì)升至電池電壓以上也會(huì)降至電池電壓以下。設(shè)計(jì)旨在應(yīng)對(duì)上述難題的解決方案通常需要整合高精度的電流檢測(cè)放大器、ADC、用于控制充電操作的微處理器、高性能的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器以及理想二極管或多路復(fù)用電路。凌力爾特公司推出了一款更加優(yōu)越的解決方案。

功能強(qiáng)大且擁有無(wú)可比擬之靈活性的充電解決方案

LTC4000 可將任何在外部補(bǔ)償?shù)?DC/DC 電源轉(zhuǎn)換為一個(gè)全功能的電池充電器，并具有 PowerPathTM 控制功能。LTC4000 能夠驅(qū)動(dòng)的常用DC/DC 轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括 （但不限于） 降壓、升壓、降壓-升壓、SEPIC 和反激式。該器件提供了精準(zhǔn)的輸入電流和充電電流調(diào)節(jié)，并可在一個(gè) 3V 至 60V 的寬輸入和輸出電壓范圍內(nèi)運(yùn)作，因而與多種不同的輸入電壓電源、電池組尺寸和化學(xué)組成相兼容。由于這款器件采用了通用型配置，因此其典型應(yīng)用范圍十分廣泛，包括高功率電池充電器系統(tǒng)、高性能便攜式儀器、電池后備系統(tǒng)、配備電池的工業(yè)設(shè)備以及筆記本電腦 / 小型筆記本電腦等。

除了可支持多種不同的 DC/DC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之外，LTC4000 的高電壓能力還使其能夠利用幾乎任何輸入電源來(lái)形成功能強(qiáng)大的電池充電解決方案。為了確保來(lái)自這些輸入的功率能輸送至合適的負(fù)載，LTC4000采用了一種智能 PowerPathTM 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，當(dāng)輸入功率有限時(shí)，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將優(yōu)先向系統(tǒng)負(fù)載供電。LTC4000 通過(guò)控制外部 PFET 來(lái)提供低損耗反向電流保護(hù)、電池的低損耗充電和放電以及“即時(shí)接通型”操作，以確保在插入電源時(shí)可立即獲得系統(tǒng)功率，即使所采用的是一個(gè)失效的電池或深度放電的電池也不例外。外部檢測(cè)電阻器可提供輸入電流和電池充電電流信息，從而使得 LTC4000 能夠與功率范圍從幾毫瓦到幾千瓦的轉(zhuǎn)換器一起使用。

LTC4000 的全功能電池充電控制器可對(duì)多種電池化學(xué)組成進(jìn)行充電，包括鋰離子電池 / 鋰聚合物電池 / 磷酸鐵鋰電池、密封鉛酸電池 （SLA） 和鎳電池等。另外，電池充電器還具有高精度的電流檢測(cè)功能，可為高電流應(yīng)用提供較低的檢測(cè)電壓。

結(jié)論

新式便攜產(chǎn)品的設(shè)計(jì)師從事著極富挑戰(zhàn)性的工作 ━━ 特別當(dāng)其面對(duì)電源時(shí)?？蛻舨粩嗟刈分鹦枰母喙β实墓δ?，因而必需使用更大的電池。與此同時(shí)，客戶還希望擁有從幾乎所有的可用電源來(lái)給這些電池充電的便利。雖然便攜式電源的上述發(fā)展趨勢(shì)帶來(lái)了設(shè)計(jì)難題，但 LTC4155 和 LTC4000 則使設(shè)計(jì)工作大為簡(jiǎn)化。在低電壓系統(tǒng)中，LTC4155 可高效提供高達(dá) 3.5A 的充電電流，并具有諸多高性能特性。LTC4000 能夠利用幾乎任何輸入來(lái)實(shí)現(xiàn)一款功能強(qiáng)大的充電解決方案，且擁有無(wú)與倫比的性能及靈活性。