LTC1960 点击型号查看芯片规格书
许多便携式电脑和其他现代电子产品使用两节(或更多节)可充电电池来增加设备的运行时间。两个电池依次放电可以使单个电池的运行时间增加一倍，但顺序系统的缺点是依次给电池充电也会使充电时间增加一倍。一种更有效的方法是并行充电和放电，这可以使单个电池的运行时间增加一倍以上，并且相对于顺序系统将充电时间减少一半。虽然很长时间以来，多个电池的平行充放电都是可能的，但直到现在，设计一个电路来做到这一点还是很困难的。LTC1960双电池电源管理器通过在单片器件中包含许多所需的功能并大大简化控制接口，解决了并行电池系统固有的许多设计问题。结果是一个简单的方法来增加电池的运行时间，并显着减少双电池系统的充电时间。
吸引人的功能，但难以实现
它是如何工作的?图1显示了在大电流放电应用中，并联两个电池可以将电池放电时间延长到单个电池放电时间的两倍以上。当两节电池平均分担负载电流时，每节电池内部I(2)R功率损耗减少1 / 4。这将导致更长的运行时间，可能增加12%。在时间方面，12%表示超过3小时基线的运行时间超过21分钟。具有高内阻值的流行电池化学物质从并联操作中获益最多。
图1所示。双(同时)系统和顺序系统的电池放电时间比较。
图2显示了收费时间的好处。在充电结束时使用恒压(CV)模式的电池相对于在充电结束时使用恒流(CC)模式的电池需要很长时间才能达到满容量。具体来说，锂离子电池是当今最流行的便携式电脑电池化学成分之一。锂离子电池有两个充电阶段:一个是电流限制阶段，在这个阶段，大部分的能量都被投入到电池中;另一个是CV阶段，在这个阶段，电流开始迅速下降，但随着电流逐渐接近零，速度会减慢。问题是，在整个充电周期的前半段，电池只能充满大约85%的容量，而剩下的15%则需要同样多的时间。从用户的角度来看，两节电池的充电时间过多。通过对电池进行并联充电，充电时间几乎比顺序充电缩短了一半，原因有三:
每个电池中的较低电流导致电池内部电压降较小，允许更长的电流限制阶段，因此在进入CV阶段之前实现更高的充电容量点(90%)。
当两个电池同时在CV阶段充电时，CV阶段的充电时间是顺序充电时间的一半。
由于双充电模式下的共享电流导致给定的电池接收小于其最大允许速率，因此可以提高总电流，从而进一步缩短总充电时间。
图2。双(同时)系统和顺序系统的电池充电时间比较。
到目前为止，实现一个系统来完成上面列出的所有功能是非常复杂的。同时将两个不同端电压的电池直接并联放电会导致两个电池之间不受控制的电流流动。用于并联电池的传统电路也必须提供隔离，通常会消耗任何额外的电池能量，在运行时间上提供很少或根本没有净增益。
然后是两个锂离子电池并联充电的问题，以适当的充电终止，同时保持与电流无关的精确电压。如果使用的电池化学成分或电压(电池计数)配置不同，情况就更复杂了。
另一个问题是在选定的电源断电或无意中被移除时实现电源危机管理。考虑到空间和成本的限制，在系统试图切换到另一个电源时，增加体电容来支撑系统在今天的产品中是不可行的。还有安全问题，比如防止主机崩溃时电池意外过充，以及安全处理失去控制的灾难性短路情况。
设计师们早就知道，在现代电路板的有限空间里创造一个能完成所有这些技巧的电路几乎是不可能的，直到现在……
介绍LTC1960
LTC1960是第一款单芯片双电池电源路径 和充电控制器，允许电池双平行充电和放电。集成电路是一个完整的构建块，当在主机微控制器的控制下，可以安全地实现上述所有功能，零件数量最少。除了充电和放电PowerPath控制外，LTC1960还集成了两个用于充电控制的精密dac，一个看门狗定时器，完整的状态报告位，输入限流，短路过载保护和自动电源危机管理，在一个最高可达32V的IC中。图3显示了系统架构。
图3。LTC1960系统架构。
LTC1960可以分为两个主要部分:PowerPath控制器和充电器控制器。PowerPath控制器设计用于管理两个电池和一个直流输入电源。PowerPath控制器的核心是理想的二极管电路，可以精确地跟踪电池之间的电压。理想的二极管电路使用相同的MOSFET晶体管来打开和关闭电源，并使它们像二极管一样工作，但没有功率损失问题或电压降变化作为电流的函数。高速比较器监测反向电流条件并在微秒内关闭mosfet。欠压检测器监视负载的突然电压损失，并在微秒内打开所有电源，无需主机干预。在CPU过压或其他系统级危机的情况下，提供高速紧急关闭输入。最后，还有一个基于时间和电流的组合短路保护系统，可以保护PowerPath mosfet在短路时免受破坏。
充电器控制器采用同步整流，具有高效率和大电流能力，0.5V低差能力和99%的最大占空比。提供11位电压DAC，系统级精度为±0.8%，同时提供5%精度的10位电流DAC。从毫安到安培的编程能力使得在低电流下保持良好的电流精度成为一项挑战。在电池从过度放电中恢复时，通常需要这样低的电流。LTC1960充电器通过在低电流模式下脉冲充电解决了这个问题。通过使用时间平均，精度可以保持到毫安级。专利的5%精确输入电流限制阈值允许墙壁适配器的所有功率被用于尽可能快地为电池充电。过压比较器检测到电池突然断开并关闭充电器，直到过压条件被清除。图4显示了一个完整充电器的原理图。
图4。完整的充电器原理图。
理想的二极管
图5显示了一个安全地并联电池放电的电路。该解决方案的独特之处在于，它驱动两个背靠背串联mosfet用于电池的电源路径，充当虚拟理想二极管。该IC主动驱动p沟道MOSFET Q7的栅极，这样当电流从电池流出时，两个MOSFET的压降被调节到25mV。这比最好的肖特基二极管至少有20倍的改进，其中30倍的改进是更典型的。
图5。单电池路径放电控制器。
当负载电流乘以Q7的R(DS(ON))超过25mV时达到调节上限。如果电压降低于25mV，则Q7缓慢关断，阻止电流流过。如果MOSFET两端的电压在任何时候反转，幅度超过20mV, MOSFET将立即关断。除机电开关外，该电路的功率损耗小于其他任何解决方案。在电池充电路径中也采用了类似的电路，使用n沟道mosfet，如图6所示。
图6。单电池路径充电控制器。
自动电流共享
在双平行充电配置中，LTC1960实际上并不控制流入每个单独电池的电流。这项工作是由电池自己完成的。每个电池的容量或安培小时额定值决定了如何共享充电器电流。这种电流的自动控制使两个电池同时达到其全部容量点。换句话说，在其他条件相同的情况下，电荷终止会同时发生。
一个充电电池可以被模拟成一个巨大的电容器，因此受同样的规律支配。
一组或并联电池的等效模型是一组并联电容器。由于它们是并联的，电压随时间的变化在每个电池上是相同的。
从这里我们可以化简。
电流分为电池额定容量的比例。输入两个电池的电流之和等于由充电器提供的电流。这与充电器的模式(CC或CV)无关。
请注意，实际观察到的电流共享值将与制造商指定的容量额定值不同，因为它是基于充电时的实际物理容量。
双电池放电
在处理类似电池时，充电规则也适用于放电。电流共享量是两个电池之间电荷状态的直接函数。将两个具有相同配置、特性和充电状态的电池放电，将允许它们保持它们所建立的任何电流共享水平，直到两个电池同时耗尽能量。特性稍有不匹配的并联电池由于实际容量不同，其耗尽能量的时间也稍有不同。
双电池充电
需要恒压(CV)充电终止的电池可以从并联充电中受益。在理想条件下，CV电池在电池电压等于电池规定的终止电压时就会充满。实际上，串联(ESR)电阻会使电池电压看起来比实际高，因为内部串联电阻的电压降被添加到实际电池电压中。其结果是，而不是瞬间电荷终止，有一个逐渐减少的电流，直到电阻电压降为零。
不幸的是，你永远不会达到电荷终止，因为电荷电流渐近于零。这就需要一个与接近100%的容量相对应的截止电流阈值。由于电压降与充电电流成正比，通过减少两个电池组之间的电流共享，两个电池将比每个电池以串行(顺序)方式充电更快。换句话说，允许平行电池放电更长的运行时间的相同特性也可以减少总充电时间。LTC1960的低25mV理想二极管电压降将确保两个电池将在几乎同一时间终止。肖特基二极管的方法会在两个电池中产生更大的电荷状态差异，当两个电池中的一个认为它是满的。
涡轮增压
在CC阶段充电时，锂离子电池并联充电还有另一个优点。如果墙壁适配器和电池充电器能够为单个电池组提供超过1C的充电速率，则充电器可以编程为更高的充电速率，最高可达2C，因为充电电流将在两个电池之间共享。
充电至最大输入电流限制
LTC1960具有Linear Technology的专利墙壁适配器限流功能。该电路监测从墙上适配器吸取的电流，并允许电池或电池在不超过适配器额定电流的情况下以尽可能高的电流充电。在纯电流运行方面，充电器输入电流和系统负载电流之和不允许超过墙壁适配器的最大额定电流。该电路的工作原理是，在适配器可能过载时，自动不断调整充电器的输出电流，从而在不超过其额定值的情况下从适配器输出恒定电流。当系统负载释放适配器电流时，充电器恢复到其原始充电电流限制设置。这允许使用备用交流适配器电源充电更快，而不需要一个更大的墙壁适配器。
负责安全
除了理想的二极管反向电流保护外，LTC1960还包括一个看门狗定时器，以防止主机因意外关闭或崩溃而意外过充电。只需每秒写入充电器控制寄存器，就可以保持充电器运行。如果充电器超时，只要对充电控制寄存器进行新的写入，就会立即恢复充电。没有电压和电流电荷值的损失。LTC1960在设置充电器电压和电流值时具有位对位回读功能，无需任何专门的错误检查代码或软件即可实现无错误编程。
不止两块电池?没有问题
对于两个电池不够用的情况，例如在备用电源情况下，可以将LTC1960配置为使用两个以上的电池。该IC的设计允许并行使用多个LTC1960，每个LTC1960添加到系统中只需要从主机微控制器获得一个额外的连接。
自动危机电源管理
PowerPath控制的另一个方面是处理负载突然断电的能力。LTC1960允许从三个选项中选择一个电源:交流电源适配器和两个电池，作为系统的唯一电源。LTC1960通过监测SCN引脚上所有三个源的和点(负载电压)的电压来管理电源(参见图4)。称为LOW_PWR的可编程电压比较器检测功率损耗并激活3二极管模式(3DM)，以便在系统发生故障之前恢复功率，而不管选择的原始电源是什么。3DM模式是指三个电源都连接到负载上的状态。当LOW_PWR检测到电压下降时，三个mosfet Q2、Q5和Q8在10µs内导通;通过Q1, Q6和Q7的二极管功能将所有三个电源并联。电压最高的电源将承担负载，多源电流共享成为可能。理想的二极管mosfet在防止能量从任何电源转移到任何其他电源方面是有效的。只允许放电。电池充电器mosfet和充电器本身不受3DM模式的影响。
三振出局
LTC1960可以被编程为使用双电池和壁式电源的任何电源配置，但它不会强制配置不能提供足够的电压的问题(除非主机系统要求它)。当LOW_PWR触发时，LTC1960假设最坏的情况并自动进入3DM模式。它等待1秒，然后关闭3DM模式，同时重新连接原始的low_pwr前电源配置。每次触发LOW_PWR时，LTC1960增加Power Fail计数器，对于任何特定配置，在连续三次触发时，它进入3DM并保持在那里。它还设置LTC1960状态寄存器中的PF位。到目前为止，LTC1960电路之外的任何东西都不需要干预-尽管一旦设置了PF位，系统软件负责确定当前的电源配置是否仍然可以作为电源，或者如果不是，是否应该用另一种配置替换它。
超灵活的放电电源路径管理
每个放电电源路径可以单独选择或选择在任何组合，而不考虑无效或不安全的配置。主机系统可以选择同时打开所有三个PowerPaths (3DM模式)，而不必考虑电源配置。在启动时，LTC1960默认为3DM模式，直到通过串行接口选择特定路径。如果不选择，则保持3DM模式。这大大简化了LTC1960的集成。不需要软件:只要插上电源就行了!
实用的短路保护
LTC1960提供短路保护，防止电流过大。当RSC上的电压超过100mV标称时，启动一个15ms定时器。如果在定时器周期结束时负载电流没有降低到跳闸点以下，LTC1960关闭。15ms定时器通过允许瞬态电流通过来防止过早关机。
紧急关闭系统
LTC1960将关闭两个事件中的一个。第一种是由于系统短路造成的电流过大，如上所述。另一种是主机系统通过驱动7V以上的DCDIV引脚来告诉它关闭。DCDIV输入允许系统设计人员在紧急情况下切断电源，也许是为了保护CPU免受过电压的影响。关机模式是一种锁存模式，它强制所有充电和放电场效应管处于关闭状态，而不管PowerPath寄存器设置如何。LTC1960通过循环电源关闭复位，然后再次打开。
精密墙壁适配器(输入)电压跳闸点
为了最大限度地减少高功率水平下的功耗，通常需要电池充电器在低差情况下运行。准确的墙壁适配器电压检测是至关重要的。LTC1960具有用户可调的墙壁适配器输入电压跳闸点设置，误差小于2%。例如，您可以使用额定低至13.2V的墙壁适配器进行有效的交流当前检测，并且仍然可以为12.6V的3节锂离子电池充电。
简单串行接口
串行连接基于串行外围接口(SPI)协议，这是一种允许主机CPU与许多外围设备通信的通信系统。SPI是一个非常简单的TTL级接口，不需要主机微处理器的任何特殊接口要求。使用标准逻辑输出的简单位敲击方法使该部件与任何微处理器兼容。考虑到LTC1960功能集成的高水平，串行接口大大减少了主机和IC之间所需信号的数量，从而为其他功能腾出了主机引脚。
结论
LTC1960代表了芯片上第一个完整的双电池充放电系统解决方案。它降低了解决方案成本、开发时间、PCB空间和零件数量，同时提供了更多的控制、安全性和自动危机管理，相对于当今任何其他可用的解决方案。与主机微控制器相结合，它具有在用户专有和基于智能电池的应用程序中工作的灵活性。LTC1960可以完成的限制完全取决于控制IC的软件。尽管LTC1960的主要市场是笔记本电脑和便携式电池应用，但其可扩展性也使其成为许多电池备用应用的良好解决方案，例如小型服务器中的电池。
