社交網(wǎng)站上,曬個(gè)人EDC始終是一股樂(lè)此不疲的風(fēng)潮。EDC(Every Day Carry)其實(shí)并不是一個(gè)新鮮玩意兒,它指的就是每天都隨身攜帶的物品,古人佩玉出行是EDC,90年代掛在腰帶上的BB機(jī)是EDC,現(xiàn)在出門不離手的手機(jī)等設(shè)備也是EDC。不難看出,隨著時(shí)代的發(fā)展,便攜式電子設(shè)備在EDC中占據(jù)了越來(lái)越多的份量,部分人群甚至?xí)x擇攜帶手機(jī)、手環(huán)、筆記本、數(shù)碼相機(jī)、藍(lán)牙耳機(jī)等多個(gè)設(shè)備外出,出門前確保各設(shè)備都電量充足以正常使用成為了首要任務(wù)。
如何提升便攜式電子設(shè)備續(xù)航,并緩解其用電焦慮?充電 IC 及集成的電源管理芯片是關(guān)鍵所在,本文將就ADI公司的兩款芯片為例,談?wù)勗鯓咏o電子設(shè)備設(shè)計(jì)一顆“好心臟”。
多種輸入+電池反向保護(hù),一顆IC全搞定
生活中接觸最多的設(shè)備大多基于可充電電池供電,因此在設(shè)計(jì)電源及電池管理系統(tǒng)時(shí)有不少講究。不同應(yīng)用設(shè)備的充電需求并不一樣,無(wú)論是像化學(xué)組成、電池單元數(shù)量此類電池參數(shù),抑或是USB輸入、太陽(yáng)能輸入此類的輸入?yún)?shù),都需要電源工程師明確定義,然后據(jù)此查閱大量數(shù)據(jù)手冊(cè),最終才能給出最佳的解決方案。
面對(duì)眾多輸入電壓、充電電壓和充電電流組合,只有一小部分可采用基于電流集成電路(IC)的解決方案。其余更復(fù)雜的組合和拓?fù)?,通常采用的集成電路和分立式組件組合,繁瑣累贅。但其實(shí),對(duì)于五花八門的需求,可以統(tǒng)統(tǒng)使用一款相同的電池充電器IC,都能實(shí)現(xiàn)最佳的效果。ADI公司推出的LTC4162 35 V/3.2 A單芯片降壓充電器能夠解決以上市場(chǎng)難題。
帶INFET 反向隔離的LTC4162
LTC4162 可以對(duì)壁式適配器、背板和太陽(yáng)能電池板等多種輸入源進(jìn)行高效功率傳送,為鋰離子 / 鋰聚合物、磷酸鐵鋰 (LiFePO4) 或鉛酸電池組充電,并向高達(dá) 35V 的系統(tǒng)負(fù)載供電。該器件提供先進(jìn)的系統(tǒng)監(jiān)控和電源通路 (PowerPath) 管理,以及電池健康狀況監(jiān)測(cè)功能。當(dāng)要求主微控制器訪問(wèn) LTC4162 最先進(jìn)的功能時(shí),可以選擇使用 I2C 端口。該產(chǎn)品的主要充電功能可利用引腳搭接配置和編程電阻器進(jìn)行調(diào)節(jié)。這款器件提供精準(zhǔn)的 ±5% 充電電流調(diào)節(jié) (高達(dá) 3.2A)、±0.75% 充電電壓調(diào)節(jié)、以及工作在 4.5V 至 35V 的輸入電壓范圍。其應(yīng)用包括便攜式醫(yī)療儀器、為 1 至 5 個(gè)設(shè)備提供 USB 功率傳輸、軍用設(shè)備、工業(yè)手持設(shè)備和加固的筆記本電腦。
此外,LTC4162 的片內(nèi)充電配置針對(duì)多種電池化學(xué)組成進(jìn)行了優(yōu)化,包括鋰電池、LiFePO4 和鉛酸電池。充電電壓和充電電流均可根據(jù)電池溫度自動(dòng)調(diào)節(jié),以遵循 JEITA 規(guī)范或定制設(shè)置。
對(duì)于充電IC而言,還有一個(gè)常見(jiàn)的問(wèn)題在于電池反向阻斷保護(hù):當(dāng) Vin 輸入低于電池電壓,部分充電 IC 不能反向隔離電池,電池電壓會(huì)通過(guò) IC 的 Vin 進(jìn)入到電源系統(tǒng)。傳統(tǒng)的做法是考慮在輸入增加肖特基二極管或者其它防反電路,以防止輸入斷開(kāi)時(shí)的電池反向供電,這無(wú)疑增加了電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。LTC4162 具備電池防反功能,可以防止電池電壓反灌到 Vin。
精準(zhǔn)電量測(cè)量帶來(lái)更安心的用電體驗(yàn)
在部分老式電子設(shè)備中,“虛電”是一種常見(jiàn)的現(xiàn)象。虛電的設(shè)備的電池電量指示器讀數(shù)和實(shí)際電池電量并不匹配,在緊急情況下甚至可能出現(xiàn)掉鏈子的情況,消費(fèi)者需要一直擔(dān)憂設(shè)備用電情況。實(shí)際上,電量測(cè)量設(shè)計(jì)確實(shí)存在挑戰(zhàn),因?yàn)殡姵氐碾姎馓匦允冀K處于變化之中。例如,電池的最大容量(也稱為健康狀態(tài)或 SOH)和自放電速率始終隨時(shí)間流逝而降低,同時(shí)充電和放電速率隨溫度改變而變化。設(shè)計(jì)良好的電池系統(tǒng)盡可能多地連續(xù)應(yīng)對(duì)這類參數(shù)漂移,以向最終用戶提供準(zhǔn)確度一致的電池性能標(biāo)準(zhǔn),例如充電時(shí)間、估計(jì)電量或預(yù)期電池壽命。
目前的研究顯示,精確的庫(kù)倫計(jì)數(shù)以及精確的電壓、電流和溫度是準(zhǔn)確估計(jì) SOC 的前提條件,迄今為止在這樣的前提條件下,所產(chǎn)生的最低誤差為 5%。這些參數(shù)使我們能夠準(zhǔn)確地確定電池位于充電或放電曲線的哪一點(diǎn)上,這時(shí)庫(kù)倫計(jì)數(shù)不僅使電壓讀數(shù)更可靠,而且有助于區(qū)分曲線的任何平坦區(qū)域。ADI提供一款簡(jiǎn)便的 60 V 電池電量計(jì)LTC2944,該芯片集成了一個(gè)庫(kù)倫計(jì)數(shù)器,可以非常方便地復(fù)制和粘貼到多種設(shè)計(jì)中,而不受電池化學(xué)組成的影響,專門為準(zhǔn)確測(cè)量單節(jié)或多節(jié)電池的電量提供了最基本的功能。
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LTC2944 以高達(dá) 99%的準(zhǔn)確度測(cè)量電量
電量的本質(zhì)是是電流對(duì)時(shí)間的積分。LTC2944 通過(guò)監(jiān)視檢測(cè)電阻器兩端呈現(xiàn)的電壓,以高達(dá) 99% 的 準(zhǔn)確度測(cè)量電量,檢測(cè)電壓范圍為 ±50 mV。值得一提的是,LTC2944 的庫(kù)倫計(jì)數(shù)器中使用的模擬積分器引入的差分偏移電壓最小,因此最大限度減小了對(duì)總體電量誤差的影響。很多庫(kù)倫計(jì)數(shù)電池電量計(jì)對(duì)檢測(cè)電阻器兩端的電壓進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,并累積轉(zhuǎn)換結(jié)果以計(jì)算電量。在這種方法中,差分偏移電壓可能是主要的誤差源,尤其是在獲取小信號(hào)讀數(shù)時(shí)。例如,考慮一個(gè)電池電量計(jì),該電量計(jì)采用基于 ADC 的庫(kù)倫計(jì)數(shù)器,最大規(guī)定差分電壓偏移為 20μV,當(dāng)以數(shù)字方式對(duì) 1 mV 輸入信號(hào)進(jìn)行積分時(shí),偏移導(dǎo)致的電量誤差會(huì)是 2%。相比之下, 使用 LTC2944 的模擬積分器時(shí),偏移導(dǎo)致的電量誤差僅為 0.04%,為前者的 1/50!
LTC2944的另一獨(dú)到之處在于其數(shù)字 I 2 C 接口以及高壓功能,用戶可以通過(guò)接口直接從 LTC2944 讀出電池電量、電壓、電流和溫度。電壓方面,LTC2944 可直接從 低至 3.6 V 的電池到高達(dá) 60 V 的滿充電電池組供電,從而滿足了從低功率便攜式電子產(chǎn)品到大功率電動(dòng)型汽車的任何應(yīng)用的需求。無(wú)需在電源或測(cè)量引腳上使用額外的電平移位電路而使設(shè)計(jì)復(fù)雜化, 電池(或電池組)與 LTC2944 之間可以直接連接, 這極大地簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)。最大限度減少外部組件 數(shù)量也降低了總體功耗,并提高了準(zhǔn)確度,因?yàn)椴淮嬖陔娮?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/1515005.html">分壓器等組件。
總結(jié)
便攜式電子設(shè)備想要獲得一個(gè)好的使用體驗(yàn),保證其電源可靠性是最基礎(chǔ)也是最重要的前提。隨著便攜式電子設(shè)備的小型化、輕薄化,其電源設(shè)計(jì)總是需要在在體積、可靠性、功能、效率、散熱、價(jià)格等方面進(jìn)行平衡,并給設(shè)計(jì)人員帶來(lái)越來(lái)越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。ADI提供的多種功能 IC可幫助電源工程師專注于應(yīng)用解決方案,使產(chǎn)品在眾多要求中達(dá)到一個(gè)合理的平衡,并給消費(fèi)者帶來(lái)更良好的使用體驗(yàn)。