許多新技術(shù)，在提高性能的同時也增大了系統(tǒng)的功率消耗。對生產(chǎn)電池的化工企業(yè)來說，電池生產(chǎn)技術(shù)的實質(zhì)性進展是很困難的，耗時長、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。

在計算機工業(yè)界，對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，都不能超過鋰離子電池的額定參數(shù)，否則肯定會引起爆炸或起火。除電池的化學(xué)成份或電極等參數(shù)外，對鋰離子電池來說，還有幾個確定的參數(shù)，如果超過了會使電池進入失控的狀態(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其設(shè)計值的行為都會導(dǎo)致電池過熱。

謹防充電器造成危害

電池組制造商設(shè)定了幾層電池和包裝保護，以防止危險的過熱狀態(tài)。但在電池使用中有一個部件可能會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：電池電壓過高（最危險的情況）；充電電流過大（過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程，或在過低的溫度下充電。

鋰離子電池充電器的設(shè)計人員采取額外的預(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%的電壓負偏差，但強調(diào)正偏差不得超過1%。保證了符合智能電池安全標準。當然，在實際設(shè)計中，偏差的正負是隨機的。所以符合此規(guī)范的設(shè)計經(jīng)常是使充電器的目標電壓值設(shè)定在額定值的-4%附近。

由于充電電壓的不準確（不管是-4%還是-9%），電池始終處于充電不足的狀態(tài)。對鋰離子電池潛在危險的恐懼導(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，即使充電后電壓只比額定值低0.05%，容量的下降卻高達15%。

電池內(nèi)置入計算機

智能電池技術(shù)的原理是很簡單的，在電池內(nèi)置入小型計算機來監(jiān)視和分析所有的電池數(shù)據(jù)，以精確預(yù)報剩余電池容量。剩余電池容量可以直接換算成便攜式計算機的剩余工作時間。與原始的僅靠電壓監(jiān)測的容量測量方法相比，可以立即使工作時間延長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^程進行控制。

在“智能電池系統(tǒng)”環(huán)境下，在特定的電壓和電流情況下，電池請求智能充電器對其進行充電。然后，智能充電器負責(zé)根據(jù)請求電壓和電流參數(shù)對電池進行充電。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，以與智能電池請求的值相匹配。由于這些基準的不準確度可達-9%，所以充電過程可能在電池只是部分充電的情況下結(jié)束。

對充電環(huán)境的更詳細了解可以揭示出更多影響鋰離子電池充電效率的問題。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)致充電過程過早地從恒流進入恒壓階段。由于電阻引入的壓降隨電流降低會逐漸減弱，充電器最終會完成充電過程。但充電時間會延長。恒流充電過程中能量的轉(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確地消除了電阻壓降的影響。可能會有人提出這樣的解決方案，在充電過程的所有階段，智能充電器利用智能電池內(nèi)監(jiān)測電路數(shù)據(jù)監(jiān)視并校正自己的輸出。對單個電池系統(tǒng)來說，這是可行的，但對雙或多電池系統(tǒng)就不太適用了。

在雙電池系統(tǒng)中，如果可能的話，最好是同時對兩個電池進行充放電操作。雖然電池充電是并行的，典型的只有一個SMBUS端口的充電器還是不能勝任這一工作。因為如果只有一個SMBUS端口，充電器或其它SMBUS設(shè)備，只能同時與一個電池進行通信。所以，理想的系統(tǒng)應(yīng)該提供兩個或更多個SMBUS端口，這樣，兩個電池就可以同時與充電器通信了。

智能電池系統(tǒng)（SBS）管理器

除提供多個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)動器和振作系統(tǒng)端的接口，另一方面則對智能電池和充電器進行管理。驅(qū)動器可讀取和請求發(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。在一個多電池系統(tǒng)中，SBS管理器負責(zé)選擇系統(tǒng)電源，決定在特定的時刻對那一塊電池進行充電或放電。簡短來說就是，SBS管理器確定對哪一塊電池進行充電，哪一塊進行放電，以及什么時候進行。

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

避免使用精確電壓基準的策略是利用智能電池內(nèi)部的測量電路測量電池電壓，其精度可達1%。這樣，SBS管理器可命令充電器適當增高電壓直到監(jiān)測到的電壓達到合適的值。實現(xiàn)得好的SBS管理器可使電池的充電過程比傳統(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償由于電池的內(nèi)部電阻及回路電阻造成的壓降。通過監(jiān)測電池內(nèi)部電壓并可迅速調(diào)整充電器電壓，可以實現(xiàn)這一過程。

何時及如何充電

SBS管理器可以決定什么時候同時對電池組進行充電。同時充電允許更好地利用充電器的電流進行充電。在單電池系統(tǒng)中，當進入恒壓充電模式時，充電器提供的充電電流隨電池充滿程度的提高而減小。沒有用到的電流被浪費掉了。在利用SBS管理器的雙電池系統(tǒng)中就不是這樣了，對一塊電池充電時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)可以更快地進行能量傳輸。可以最快地增加系統(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程達60%。SBS管理器還可決定何時使能同時放電功能。適當?shù)耐瑫r放電可以使系統(tǒng)容量增加16%之多。

當然，所有這些改進對電池的性能來說都必須是安全的。正如前面討論過的一樣，鋰離子電池有一額定電壓。當加到電池上的電壓達到最大值時，充電過程從恒流轉(zhuǎn)換至恒壓模式。對這一轉(zhuǎn)換點的檢測，是由智能充電SBS管理器負責(zé)的，根據(jù)是測量到的電池電壓。但SBS管理器比智能充電器的巨大優(yōu)點是，它可以不斷監(jiān)視和校正充電器以及電池電壓。這樣在達到電池的最大容量的情況下還保證了安全。

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

如果那個OEM廠商可以使筆記本電腦持續(xù)工作6個小時而不會明顯地影響到性能，就會迅速占領(lǐng)市場。SBS管理器朝這一目標邁進了一大步。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 的無線傳感器節(jié)點到采用好幾百瓦時電池組的車載式醫(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)出了相對一致的發(fā)展趨勢 ━━ 設(shè)計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給電池充電。第一個趨勢要求增加電池容量。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。第二個趨勢則要求電池充電解決方案具有巨大的靈活性。我們將對這些問題逐個進行較為詳細的探究。

更高的功率

新式的手持設(shè)備 （無論是消費類設(shè)備還是工業(yè)設(shè)備） 都有可能包括一個蜂窩電話調(diào)制解調(diào)器、一個WiFi模塊、一個藍牙模塊、一個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)都可通過蜂窩電話反映出來。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。過去，不少高功率密度設(shè)備都采用一個 7.4V 鋰離子電池以降低電流需求，但廉價的 5V 電源管理 IC 的面市使得越來越多的手持式設(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 ━━ 標準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。當采用一個 3.7V 電池來供電時，電池的容量必須達到幾千mAh。為了能夠在幾個小時之內(nèi)完成此類電池的充電，需要幾千mA的充電電流。

然而，消費者同樣希望能夠在沒有可用的大電流墻上適配器時從一個 USB 端口來為其高功率設(shè)備充電，這種愿望并未因為上述的高充電電流而被遏制。為了滿足這些要求，在可以使用墻上適配器時，電池充電器必須要能夠以高電流 （>2A） 進行充電，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壓，將高電流從一個 USB 輸入、一個墻上適配器或電池?zé)o縫地引導(dǎo)至負載，并最大限度地降低功率損耗。與此同時，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

盡管似乎無法找到單個 IC 來滿足上述要求，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)計用于從多種 5V 電源高效地輸送高達 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 拓撲結(jié)構(gòu)可對從兩個輸入電源 （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行無縫管理，并在輸入功率有限時優(yōu)先向系統(tǒng)負載供電。

LTC4155 的開關(guān)穩(wěn)壓器起一個變壓器的作用，允許 VOUT 上的負載電流超過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 3.5A 的電流進行高效充電，從而縮短充電時間。與普通的開關(guān)電池充電器不同，LTC4155 具有“即時接通”操作能力，以確保在插入電源時可立即獲得系統(tǒng)功率，即使所采用的是一個失效的電池或深度放電的電池也不例外。

在對電池進行高速充電時，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 （由一個外部負溫度系數(shù) [NTC] 熱敏電阻負責(zé)測量） 時自動停止充電。除了這種自主特性之外，LTC4155 還提供了一個 7 位擴展標度模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC），用于以大約 1℃ 的分辨率來監(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。

通過一個簡單的二線式 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返回 USB 端口的 5V 電源。

LTC4155 的雙輸入、優(yōu)先級多路復(fù)用器可根據(jù)用戶定義的優(yōu)先級 （適配器輸入是默認的優(yōu)先選擇） 自主選擇最合適的輸入 （墻上適配器或 USB）。過壓保護 （OVP） 電路用于同時保護兩個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，管理兩個輸入 （例如：USB和墻上適配器） 就足夠了。不過，便攜式設(shè)備的設(shè)計人員仍在繼續(xù)探尋能夠從任何可用電源來給電池充電的方法。

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)并指望由太陽能板來供電。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)施加了一個沉重的負擔。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)從一個高于最大電池電壓的電壓電源來給電池充電。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)計人員無法考慮將電信電源作為可行的輸入電源，或者采用具有 42V 開路電壓的太陽能板。在某些場合中，期望輸入電源的電壓范圍既會升至電池電壓以上也會降至電池電壓以下。設(shè)計旨在應(yīng)對上述難題的解決方案通常需要整合高精度的電流檢測放大器、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。

功能強大且擁有無可比擬之靈活性的充電解決方案

LTC4000 可將任何在外部補償?shù)?DC/DC 電源轉(zhuǎn)換為一個全功能的電池充電器，并具有 PowerPathTM 控制功能。LTC4000 能夠驅(qū)動的常用DC/DC 轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)包括 （但不限于） 降壓、升壓、降壓-升壓、SEPIC 和反激式。該器件提供了精準的輸入電流和充電電流調(diào)節(jié)，并可在一個 3V 至 60V 的寬輸入和輸出電壓范圍內(nèi)運作，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 拓撲結(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形成功能強大的電池充電解決方案。為了確保來自這些輸入的功率能輸送至合適的負載，LTC4000采用了一種智能 PowerPathTM 拓撲結(jié)構(gòu)，當輸入功率有限時，該拓撲結(jié)構(gòu)將優(yōu)先向系統(tǒng)負載供電。LTC4000 通過控制外部 PFET 來提供低損耗反向電流保護、電池的低損耗充電和放電以及“即時接通型”操作，以確保在插入電源時可立即獲得系統(tǒng)功率，即使所采用的是一個失效的電池或深度放電的電池也不例外。外部檢測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多種電池化學(xué)組成進行充電，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功能，可為高電流應(yīng)用提供較低的檢測電壓。

結(jié)論

新式便攜產(chǎn)品的設(shè)計師從事著極富挑戰(zhàn)性的工作 ━━ 特別當其面對電源時?？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，客戶還希望擁有從幾乎所有的可用電源來給這些電池充電的便利。雖然便攜式電源的上述發(fā)展趨勢帶來了設(shè)計難題，但 LTC4155 和 LTC4000 則使設(shè)計工作大為簡化。在低電壓系統(tǒng)中，LTC4155 可高效提供高達 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實現(xiàn)一款功能強大的充電解決方案，且擁有無與倫比的性能及靈活性。