許多便攜式計(jì)算機(jī)和其他現(xiàn)代電子產(chǎn)品使用兩個(gè)（或更多）可充電電池來增加設(shè)備運(yùn)行時(shí)間。兩個(gè)電池按順序放電可以使單個(gè)電池的運(yùn)行時(shí)間加倍，但順序系統(tǒng)的缺點(diǎn)是按順序?yàn)殡姵爻潆娨矔?huì)使充電時(shí)間加倍。一種更有效的方法是并行充電和放電，與順序系統(tǒng)相比，它可以使單個(gè)電池的運(yùn)行時(shí)間增加一倍以上，并將充電時(shí)間縮短一半。雖然長期以來一直可以并聯(lián)多個(gè)電池的充電和放電，但到目前為止，很難設(shè)計(jì)出電路來做到這一點(diǎn)。LTC?1960 雙電池電源管理器通過在單片式器件中包括許多所需的功能并大大簡化了控制接口，解決了并聯(lián)電池系統(tǒng)中固有的許多設(shè)計(jì)問題。結(jié)果是增加電池運(yùn)行時(shí)間并顯著減少雙電池系統(tǒng)充電時(shí)間的簡單方法。

有吸引力的功能，但難以實(shí)施

它是如何工作的？圖1顯示了在高電流消耗應(yīng)用中，并聯(lián)兩個(gè)電池可以將電池放電時(shí)間延長到單個(gè)電池的兩倍以上。當(dāng)兩節(jié)電池均等地分擔(dān)負(fù)載電流時(shí)，內(nèi)部電池I2每個(gè)電池的R功率損耗減少四分之一。這導(dǎo)致更長的運(yùn)行時(shí)間，可能增加 12%。就時(shí)間而言，12% 表示超過 21 小時(shí)的運(yùn)行時(shí)間，超出 3 小時(shí)的基線。具有高內(nèi)阻值的常用電池化學(xué)成分從并聯(lián)操作中受益最大。

圖1.雙（同時(shí)）系統(tǒng)和順序系統(tǒng)的電池放電時(shí)間比較。

圖 2 顯示了充電時(shí)間的優(yōu)勢。相對于在充電終止期間使用恒流 （CC） 模式的電池，在充電終止期間使用恒壓 （CV） 模式的電池需要很長時(shí)間才能達(dá)到其全部容量。具體來說，鋰離子電池是當(dāng)今使用的最流行的便攜式計(jì)算機(jī)電池化學(xué)物質(zhì)之一。鋰離子電池有兩個(gè)充電階段：一個(gè)電流限制階段，其中大部分能量被投入電池，以及一個(gè)CV階段，其中電流起初迅速下降，但隨著電流逐漸接近零電流而減慢。問題在于，電池在總充電周期時(shí)間的前半段僅填充到其容量的85%左右，而剩余的15%則需要同樣多的時(shí)間。從用戶的角度來看，兩塊電池的充電時(shí)間變得過長。通過并行充電，相對于順序充電，充電時(shí)間幾乎減少了一半，原因有三：

每個(gè)電池中的電流越小，內(nèi)部電池壓降越小，允許更長的電流限制階段，因此在進(jìn)入CV階段之前達(dá)到更高的充電容量點(diǎn)（90%）。

當(dāng)兩個(gè)電池在CV階段同時(shí)充電時(shí)，在CV階段花費(fèi)的時(shí)間是使用順序充電的一半。

由于雙充電模式下的共享電流導(dǎo)致給定電池接收的速率低于其最大允許速率，因此可以提高總電流，從而進(jìn)一步縮短總充電時(shí)間。

圖2.雙（同時(shí)）系統(tǒng)和順序系統(tǒng)的電池充電時(shí)間比較。

到目前為止，實(shí)現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)來完成上面列出的所有功能是非常復(fù)雜的。同時(shí)對兩個(gè)具有不同端電壓的電池進(jìn)行直接電并聯(lián)放電會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)電池之間危險(xiǎn)的不受控制的電流流動(dòng)。用于并聯(lián)電池的傳統(tǒng)電路也必須提供隔離，通常會(huì)消耗任何額外的電池能量，在運(yùn)行時(shí)間內(nèi)提供很少或沒有凈增益。

然后是將兩個(gè)鋰離子電池并聯(lián)充電以正確終止充電的問題，同時(shí)保持獨(dú)立于電流的精密電壓。如果使用的電池不是相同的化學(xué)或電壓（電池計(jì)數(shù)）配置，則一切都會(huì)更加復(fù)雜。

另一個(gè)問題是在所選電源斷電或無意中移除時(shí)實(shí)施電源危機(jī)管理。考慮到空間和成本限制，在系統(tǒng)嘗試切換到另一個(gè)電源時(shí)，添加大容量電容來支撐系統(tǒng)在當(dāng)今的產(chǎn)品中不是一種選擇。還存在安全問題，例如防止主機(jī)崩潰時(shí)電池意外過度充電，以及安全處理失去控制的災(zāi)難性短路情況。

設(shè)計(jì)人員早就知道，創(chuàng)建一個(gè)能夠完成所有這些技巧并適合現(xiàn)代電路板上有限空間的電路幾乎是不可能的，直到現(xiàn)在......

介紹 LTC1960

LTC?1960 是首款單芯片雙電池電源路徑?以及允許電池雙并聯(lián)充電和放電的充電控制器。該 IC 是一個(gè)完整的模擬構(gòu)建模塊，在主機(jī)微控制器的控制下，能夠以最少的器件數(shù)量安全地實(shí)現(xiàn)上述所有功能。除了充電和放電 PowerPath 控制之外，LTC1960 還在單個(gè) IC 中集成了兩個(gè)用于充電控制的精準(zhǔn) DAC、一個(gè)看門狗定時(shí)器、完整狀態(tài)報(bào)告位、輸入電流限制、短路過載保護(hù)和自動(dòng)電源危機(jī)管理，該 IC 可工作在高達(dá) 32V 的電壓下。圖 3 顯示了系統(tǒng)架構(gòu)。

圖3.LTC1960系統(tǒng)架構(gòu)。

LTC1960 可分為兩個(gè)主要部件：一個(gè) PowerPath 控制器和一個(gè)充電器控制器。PowerPath 控制器設(shè)計(jì)用于管理兩個(gè)電池和一個(gè)直流輸入電源。PowerPath控制器的核心是理想的二極管電路，可在電池之間精確跟蹤電壓。理想的二極管電路使用相同的MOSFET晶體管來打開和關(guān)閉電源，并使它們像二極管一樣工作，但沒有功率損耗問題或電壓降隨電流的變化。高速比較器監(jiān)視反向電流條件，并在幾微秒內(nèi)關(guān)斷 MOSFET。欠壓檢測器觀察負(fù)載處的突然電壓損失，并在幾微秒內(nèi)打開所有電源，無需主機(jī)干預(yù)。在CPU過壓情況或其他系統(tǒng)級危機(jī)的情況下提供高速緊急關(guān)斷輸入。最后，還有一個(gè)基于時(shí)間和電流的組合短路保護(hù)系統(tǒng)，可保護(hù) PowerPath MOSFET 在短路時(shí)免受損壞。

充電器控制器采用同步整流，具有高效率和高電流能力，具有0.5V低壓差能力和99%最大占空比。該器件提供系統(tǒng)級精度差情況下為 ±11.0% 的 8 位電壓 DAC，以及精度為 5% 的 10 位電流 DAC。從毫安到安培的編程能力使得在低電流下保持良好的電流精度成為一項(xiàng)挑戰(zhàn)。在電池從過度放電中恢復(fù)期間，通常需要如此低的電流。LTC1960 充電器通過在低電流模式下進(jìn)行脈沖充電來解決此問題。通過使用時(shí)間平均，精度可以保持到毫安級。獲得專利的 5% 精度輸入電流限制閾值允許使用墻上適配器的所有電源盡快為電池充電。過壓比較器檢測到電池突然斷開并關(guān)閉充電器，直到過壓條件清除。圖4所示為完整充電器的原理圖。

圖4.完整的充電器原理圖。

理想二極管

圖5顯示了一個(gè)與電池安全并聯(lián)以進(jìn)行放電的電路。該解決方案的獨(dú)特之處在于，它可以驅(qū)動(dòng)電池電源路徑中使用的兩個(gè)背靠背串聯(lián)MOSFET，用作虛擬理想二極管。IC主動(dòng)驅(qū)動(dòng)P溝道MOSFET的柵極Q7，這樣當(dāng)電流流出電池時(shí)，兩個(gè)MOSFET兩端的壓降被調(diào)節(jié)至25mV。這至少比最好的肖特基二極管提高了 20 倍，其中 30 倍的改進(jìn)更為典型。

圖5.單電池路徑放電控制器。

當(dāng)負(fù)載電流乘以R時(shí)達(dá)到調(diào)節(jié)上限D(zhuǎn)S（ON）的Q7超過25mV。如果壓降降至25mV以下，則Q7緩慢關(guān)斷，阻止電流流動(dòng)。如果MOSFET兩端的電壓在任何時(shí)候被反轉(zhuǎn)，幅度超過20mV，MOSFET將立即關(guān)斷。該電路的功率損耗小于任何其他解決方案，不包括機(jī)電開關(guān)。電池充電路徑中也采用了類似的電路，使用N溝道MOSFET，如圖6所示。

圖6.單電池路徑充電控制器。

自動(dòng)均流

在雙通道并聯(lián)充電配置中，LTC1960 實(shí)際上并不控制流入每個(gè)單獨(dú)電池的電流。這項(xiàng)工作由電池本身處理。每個(gè)電池的容量或安培小時(shí)額定值決定了充電器電流的共享方式。這種電流的自動(dòng)轉(zhuǎn)向使兩個(gè)電池同時(shí)達(dá)到其全部容量點(diǎn)。換句話說，假設(shè)所有其他條件相同，充電終止將同時(shí)發(fā)生。

充電電池可以建模為一個(gè)巨大的電容器，因此受相同的定律管轄。

一組或并聯(lián)電池的等效型號是一組并聯(lián)電容器。由于它們是并聯(lián)的，因此每個(gè)電池的電壓隨時(shí)間的變化是相同的。

從這里我們可以簡化。

電流除以電池額定容量的比率。進(jìn)入兩個(gè)電池的電流總和與充電器提供的電流相同。這與充電器的模式（CC 或 CV）無關(guān)。

請注意，實(shí)際觀察到的均流值將與制造商指定的容量額定值有所不同，因?yàn)樗诔潆姇r(shí)的實(shí)際物理容量。

雙電池放電

充電規(guī)則也適用于處理類似電池時(shí)的放電。均流量是兩個(gè)電池之間充電狀態(tài)的直接函數(shù)。對兩個(gè)具有相同配置、特性和充電狀態(tài)的電池放電將允許它們保持它們建立的任何均流水平，直到兩個(gè)電池同時(shí)耗盡能量。特性略有不匹配的并聯(lián)電池將在略有不同的時(shí)間耗盡能量，因?yàn)樗鼈兙哂胁煌膶?shí)際容量。

雙電池充電

需要恒壓 （CV） 充電終止的電池可以從并聯(lián)充電中受益。在理想條件下，當(dāng)電池電壓等于為電池指定的終止電壓時(shí)，CV電池將充滿。實(shí)際上，串聯(lián)（ESR）電阻會(huì)使電池電壓看起來比實(shí)際更高，因?yàn)閮?nèi)部串聯(lián)電阻兩端的壓降被添加到實(shí)際電池電壓中。因此，電流逐漸減少，直到電阻壓降歸零，而不是即時(shí)終止充電。

不幸的是，您永遠(yuǎn)不會(huì)達(dá)到充電終止，因?yàn)槌潆婋娏鳚u近接近于零。這就需要一個(gè)與接近100%的容量相對應(yīng)的截止電流閾值。由于壓降與充電電流成正比，通過兩個(gè)電池組之間的均流減少電流，兩個(gè)電池的充電速度將比每個(gè)電池以串行（順序）方式充電時(shí)更快。換句話說，允許并聯(lián)電池放電運(yùn)行時(shí)間更長的相同屬性也可以減少總充電時(shí)間。LTC1960 的 25mV 低理想二極管壓降將確保兩節(jié)電池幾乎同時(shí)端接。肖特基二極管方法會(huì)在兩個(gè)電池之間產(chǎn)生更大的充電狀態(tài)差異，當(dāng)兩個(gè)電池中的一個(gè)確定它已滿時(shí)。

渦輪增壓

在充電的CC階段并聯(lián)為鋰離子電池充電還有另一個(gè)優(yōu)勢。如果壁式適配器和電池充電器能夠?yàn)閱蝹€(gè)電池組提供超過 1C 的充電速率，則充電器可以以更高的充電速率（高達(dá) 2C）進(jìn)行編程，因?yàn)槌潆婋娏鲗⒃趦蓚€(gè)電池之間共享。

通過輸入電流限制充電至最大值

LTC1960 具有凌力爾特獲得專利的墻上適配器電流限制功能。該電路監(jiān)視從墻上適配器汲取的電流，并允許電池以盡可能高的電流充電，而不會(huì)超過適配器的額定電流。在純電流操作方面，充電器輸入電流和系統(tǒng)負(fù)載電流的總和絕不允許超過墻上適配器的最大額定電流。該電路的工作原理是在潛在的適配器過載時(shí)不斷自動(dòng)調(diào)整充電器輸出電流，以便從適配器汲取恒定電流而不會(huì)超過其額定值。當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載釋放適配器電流時(shí)，充電器將恢復(fù)到其原始充電電流限制設(shè)置。這允許使用備用交流適配器電源更快地充電，而無需更大的墻上適配器。

安全充電

除了理想的二極管反向電流保護(hù)之外，LTC1960 中還包括一個(gè)看門狗定時(shí)器，以防止在主機(jī)意外停機(jī)或崩潰時(shí)意外過充電。只需每秒寫入充電器控制寄存器即可保持充電器運(yùn)行。如果充電器超時(shí)，則一旦對充電控制寄存器進(jìn)行新的寫入，就會(huì)恢復(fù)充電。不會(huì)丟失電壓和電流電荷值。LTC1960 在設(shè)定充電器電壓和電流值時(shí)具有逐位回讀功能，因而允許無差錯(cuò)編程，而無需任何專門的錯(cuò)誤檢查代碼或軟件。

兩塊以上的電池？沒關(guān)系

對于兩節(jié)電池不夠用的情況，例如在備用電源情況下，可以將 LTC1960 配置為使用兩節(jié)以上的電池工作。該 IC 設(shè)計(jì)為允許并聯(lián)使用多個(gè) LTC1960，而添加到系統(tǒng)中的每個(gè) LTC1960 只需從主機(jī)微控制器進(jìn)行一次額外連接。

自動(dòng)危機(jī)電源管理

PowerPath 控制的另一個(gè)方面是能夠處理負(fù)載突然斷電的情況。LTC1960 允許從三個(gè)選項(xiàng)中選擇單個(gè)電源 — 交流電源適配器和兩個(gè)電池 — 作為系統(tǒng)的唯一電源。LTC1960 通過監(jiān)視 SCN 引腳上所有三個(gè)電源的求和點(diǎn)處的電壓 （負(fù)載電壓） 來管理電源 （參見圖 4）。稱為LOW_PWR的可編程電壓比較器可檢測功率損失并激活3二極管模式（3DM），以便在系統(tǒng)發(fā)生故障之前恢復(fù)系統(tǒng)電源，而不管選擇何種原始電源。3DM模式是指所有三個(gè)電源都連接到負(fù)載的狀態(tài)。當(dāng)檢測到壓降時(shí)，三個(gè)MOSFET（Q2、Q5和Q8）在10μs內(nèi)導(dǎo)通LOW_PWR;通過Q1、Q6和Q7的二極管功能將所有三個(gè)電源并聯(lián)。具有最高電壓的電源將拾取負(fù)載，并可實(shí)現(xiàn)多源均流。理想的二極管MOSFET在防止能量從任何電源傳輸?shù)饺魏纹渌娫捶矫婢哂谢钚浴Ｖ辉试S放電。電池充電器MOSFET和充電器本身不受3DM模式的影響。

三次罷工，你就出局了

LTC1960 可被編程為使用雙電池和墻上電源的任何電源配置，但它不會(huì)強(qiáng)制解決根本無法提供足夠電壓的配置的問題 （除非主機(jī)系統(tǒng)要求）。每當(dāng)LOW_PWR跳閘時(shí)，LTC1960 就會(huì)假定最差情況并自動(dòng)進(jìn)入 3DM 模式。它等待 1 秒鐘，然后在重新連接原始預(yù)LOW_PWR電源配置時(shí)關(guān)閉 3DM 模式。LTC1960 每次跳閘時(shí)都會(huì)遞增電源故障計(jì)數(shù)器LOW_PWR并且對于任何特定配置連續(xù)三次觸發(fā)時(shí)，它進(jìn)入 3DM 并保持在那里。它還在 LTC1960 狀態(tài)寄存器中設(shè)定 PF 位。到目前為止，LTC1960電路之外的任何東西都不需要干預(yù) — 盡管一旦設(shè)置了PF位，系統(tǒng)軟件就負(fù)責(zé)確定當(dāng)前電源配置是否仍可用作電源，或者如果不可，是否應(yīng)將其替換為另一種配置。

超靈活的放電電源路徑管理

每個(gè)放電 PowerPath 都可以單獨(dú)選擇或以任意組合方式選擇，而不考慮無效或不安全的配置。主機(jī)系統(tǒng)可以選擇同時(shí)打開所有三個(gè) PowerPath（3DM 模式），而不用關(guān)心電源配置。在啟動(dòng)時(shí)，LTC1960 默認(rèn)為 3DM 模式，直到通過串行接口選擇一條特定路徑。如果未選擇任何選項(xiàng)，它將保持 3DM 模式。這大大簡化了 LTC1960 的集成。無需軟件：只需插入即可使用！

現(xiàn)實(shí)短路保護(hù)

LTC1960 提供了針對過大電流的短路保護(hù)。當(dāng)RSC兩端的電壓超過100mV標(biāo)稱值時(shí)，啟動(dòng)一個(gè)15ms定時(shí)器。如果在定時(shí)器周期結(jié)束時(shí)，負(fù)載電流未降至跳變點(diǎn)以下，則 LTC1960 將停機(jī)。15ms 定時(shí)器允許瞬態(tài)電流通過，從而防止過早關(guān)斷。

緊急系統(tǒng)關(guān)閉

LTC1960 將針對兩個(gè)事件中的任何一個(gè)關(guān)斷。首先是由于系統(tǒng)短路引起的電流過大，如上所述。另一種是主機(jī)系統(tǒng)通過將DCDIV引腳驅(qū)動(dòng)到7V以上來告訴它關(guān)斷。DCDIV輸入允許系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在緊急情況下斷電，也許是為了保護(hù)CPU免受過壓情況的影響。關(guān)斷模式是一種鎖存模式，無論 PowerPath 寄存器設(shè)置如何，它都會(huì)強(qiáng)制所有充電和放電 FET 進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)。LTC1960 通過循環(huán)斷電然后再次接通來復(fù)位。

精密墻上適配器（輸入）電壓跳變點(diǎn)

為了最大限度地降低高功率水平下的功耗，通常需要電池充電器在低壓差情況下工作。準(zhǔn)確的墻上適配器電壓檢測可能至關(guān)重要。LTC1960 具有一個(gè)用戶可調(diào)的墻上適配器輸入電壓跳變點(diǎn)設(shè)置，其誤差小于一個(gè) 2%。例如，您可以使用額定電壓低至 13.2V 的墻上適配器進(jìn)行有效的交流電檢測，并且仍能為 12.6V 3 芯鋰離子電池充電。

簡單的串行接口

串行連接基于串行外設(shè)接口 （SPI） 協(xié)議，該協(xié)議是一種允許主機(jī) CPU 與許多外圍設(shè)備通信的通信系統(tǒng)。SPI是一種非常簡單的TTL級接口，不需要主機(jī)微處理器的任何特殊接口要求。使用標(biāo)準(zhǔn)邏輯輸出的簡單位敲擊方法使該器件與任何微處理器兼容。鑒于 LTC1960 功能集成度較高，串行接口大大減少了主機(jī)和 IC 之間所需的信號數(shù)量，從而騰出主機(jī)引腳用于其他功能。

結(jié)論

LTC1960 是第一個(gè)完整的雙電池片上雙電池放電-充電系統(tǒng)解決方案。它降低了解決方案成本、開發(fā)時(shí)間、PCB 空間和零件數(shù)量，同時(shí)提供了相對于當(dāng)今可用的任何其他解決方案更多的控制、安全性和自動(dòng)危機(jī)管理。結(jié)合主機(jī)微控制器，它可以靈活地在用戶專有和基于智能電池的應(yīng)用中工作。LTC1960 所能實(shí)現(xiàn)的限值完全取決于控制 IC 的軟件。雖然LTC1960的主要市場是筆記本電腦和便攜式電池應(yīng)用，但其可擴(kuò)展性也使其成為許多電池備份應(yīng)用（例如小型服務(wù)器中的電池備份應(yīng)用）的良好解決方案。

審核編輯：郭婷