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LTC3890 和 LTC4000 具有電池后備功能的 60V 輸入電源

時(shí)間：2015-03-09 10:22 來源：凌力爾特公司作者：

引言

本文介紹的電路對于設(shè)計(jì)緊湊型電源會非常有用，而且極其有利于輸入電源中斷情況下的系統(tǒng)運(yùn)作。所提出的解決方案可嵌入到不間斷電源系統(tǒng)或小型獨(dú)立式模塊中。其能夠成功地在工業(yè)和安全應(yīng)用、油氣勘探通信系統(tǒng)中使用。寬輸入電壓范圍使其成為汽車工業(yè) (包括安放在引擎罩下以及座艙中的電氣系統(tǒng)) 的上佳之選。

本文旨在描述采用 24V 至 60V 輸入電壓范圍 (當(dāng)輸入電源可用時(shí)) 或 14.4V 電池組 (當(dāng)輸入電源不可用時(shí)) 來為 3.3V 電壓軌提供不間斷電源。當(dāng)輸入電源接入時(shí)，電源自動地給電池充電，并在充電過程中限制輸入電流。

一對高電壓控制器 LTC3890 和 LTC4000 能夠提供一款具電池后備功能和非常寬工作電壓范圍的完整 DC 電壓電源解決方案。LTC3890 的輸入電壓范圍為 4.5V 至 60V，而且 LTC4000 可以給額定電壓為 3V 至 60V 的電池充電。LTC3890 是一款雙路、兩相同步降壓型 DC/DC 控制器。LTC3890 的一項(xiàng)優(yōu)勢是極低的 50μA 無負(fù)載靜態(tài)電流。低靜態(tài)電流以及非常低壓差操作 (99% 占空比) 使得 LTC3890 在電池供電型系統(tǒng)中極為有用。該解決方案中使用的邏輯電平 MOSFET 可減少與柵極有關(guān)的損耗并提升總體系統(tǒng)效率。本文介紹的電路采用一個(gè) LTC3890 輸出來提供固定和準(zhǔn)確的電壓以為客戶負(fù)載供電，而且它采用第二個(gè)輸出作為用于電池充電的可變電壓電源 (其由 LTC4000 負(fù)責(zé)控制)。LTC4000 是一款專為轉(zhuǎn)換 DC/DC 電源而設(shè)計(jì)的控制器，一般充當(dāng)電池充電器的電壓電源。LTC4000 是用于電池充電和電源管理的全功能控制器。另外，該器件還擁有限制系統(tǒng)輸入電流和減小輸入線路所承受之應(yīng)力的能力。在某些應(yīng)用中，當(dāng)電源不得不同時(shí)為電池充電和高耗電負(fù)載提供能量時(shí)，其具有非常高的重要性。

電路描述

圖 1：電源方框圖

所提出電路的方框圖示于圖 1，其具有一個(gè)寬輸入電壓范圍：從 24V 至高達(dá) 60V。該電路包括以下元件：基于一個(gè)輸出 LTC3890 轉(zhuǎn)換器的高電壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器 (HVDC)、基于 LTC4000 的實(shí)際電池充電器和基于另一個(gè)輸出 LTC3890 轉(zhuǎn)換器的低電壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器 (LVDC)。HVDC 轉(zhuǎn)換器可在 15V 至 22V 的輸出電壓范圍內(nèi)提供高達(dá) 10A 的電流。電池充電器能在 16.8V (Vfl) 充電電壓下提供 4A 的最大充電電流 (Ich)。LVDC 被設(shè)定為 3.3V 電壓下輸送 2A。NL2044 智能鋰離子電池組被選為后備電池。該電池組規(guī)格在 Vmax=16.8V、 Vnom = 14.4V 和 Vcutoff = 9.6V，并具有 6.6Ah 容量。

圖 2：電源原理圖

詳細(xì)的電原理圖示于圖 2。其基于一個(gè)高電壓降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器 LTC3890。第一個(gè)輸出 LTC3890 受控于 LTC4000 并分配用于給兩個(gè)負(fù)載供電：電池充電器和 LVDC。來自 LTC4000 的控制信號被賦予高優(yōu)先級，其負(fù)責(zé)設(shè)定 LTC3890 第一個(gè)輸出的電壓電平以確保實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的電池充電。該輸出上的電壓電平不是固定的，其遵循電池充電周期。LTC3890 的第二個(gè)輸出為 LVDC，其由第一個(gè)輸出提供并向負(fù)載提供 3.3V 固定電壓。此輸出上的電壓電平不依賴于系統(tǒng)電壓、電池充電過程或電源 (輸入電壓或電池)。給出的解決方案可在不同的電源之間實(shí)現(xiàn)無縫切換。

LTC4000 充電電路負(fù)責(zé)執(zhí)行以下功能：

電池的完整充電周期。該充電周期包括：

電池狀態(tài)檢測

提供編程充電電流和電池電壓控制

充電周期終止

用于隔離從電池至高電壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器之反向電流的輸入二極管

將滿充電電池與輸入電壓電源斷接

把整個(gè)系統(tǒng)的輸入電流限制在編程值。該特性在采用熔絲和電路斷路器的系統(tǒng)中是很重要

電壓軌的標(biāo)示類似于 LTC4000 演示電路 1830A，其也用于原型設(shè)計(jì)和模擬板試驗(yàn)推薦的電路。以下是對功率鏈路組件的電壓軌和功能所做的簡短說明：

來自未調(diào)整之原始電壓電源 (24V 至 60V) 的 VIN+ 輸入電壓。

至 HVDC 的 VIN 輸入電壓：Q3、Q4、L1。電流檢測電阻器 RS1 負(fù)責(zé)限制至系統(tǒng)的輸入電流。理想二極管。Q1 在 VIN 電壓中斷時(shí)斷開，并把 HVDC 與電池組斷接。

VOUT-SYS 電壓軌產(chǎn)生自 PMOS Q1 的源極，而且它負(fù)責(zé)為電池 (在充電期間) 和 LVDC 饋電。

PMOS Q2 是 LTC4000 PowerPathTM 控制器的一部分。LVDC 由 VOUT-SYS 電壓軌供電，而且它負(fù)責(zé)向終端負(fù)載提供功率，Q5、Q6、L2 構(gòu)成了該轉(zhuǎn)換器的功率鏈路。

共陰極二極管 D1 采用輸入電壓或電池來保持 LTC3782 上的偏置。

電路功能

當(dāng)施加輸入電壓時(shí)，其啟動 HVDC 和電池充電器。LTC3890 開始使 VOUT 軌上的電壓斜坡上升。VOUT 的上升受控于 TRACK/SS2 引腳上的電壓電平，直到該引腳上的電壓達(dá)到 0.8V 為止。到那時(shí)候，LTC4000 電池充電器運(yùn)行，而且它開始通過其自身的 ITH 引腳 (該引腳硬連線至 LTC3890 的 ITH2 引腳) 來控制 VOUT 和 VOUT-SYS 電平。HVDC 輸出電壓 (以及 LTC3890 VFB2 引腳上對應(yīng)的反饋信號) 設(shè)定得高于電池浮置電壓 (或制造商建議的充電電壓)。這將確保在正常操作條件下僅由 LTC4000 電池充電器 (而不是 LTC3890 降壓型控制器) 調(diào)節(jié)輸出。LTC3890 IC 負(fù)責(zé)控制開關(guān) NMOS Q1，而 Q2 則受控于 LTC4000。由于 LTC3890 的電壓設(shè)定值超過了 LTC4000 所設(shè)定的實(shí)際 (浮置) 電壓，因此 LTC3890 的誤差放大器 (EA) 將供應(yīng)電流以試圖提高其 ITH 引腳上的電壓。接著 LTC4000 將吸收電流，從而把 ITH 電壓保持在穩(wěn)定狀態(tài)。浮置電壓由電阻分壓器 RB1、RB2 設(shè)定。

如果電池電壓降至低于浮置電壓，則 LTC4000 將分析電池的狀況。倘若電池未短接或過度放電，那么它將向電池提供編程充電電流。充電電流值由電流檢測電阻器 RS2 和電阻器 RCL 設(shè)置。LTC4000 調(diào)節(jié)充電電流，直到電池電壓達(dá)到浮置值為止。一旦電池電壓達(dá)到浮置值，LTC4000 將從恒定電流模式切換至恒定電壓模式，從而在充電過程中提供恒定的電壓。隨著充電周期的推進(jìn)，充電電流值逐漸減小，見圖 5。在圖 2 所示的原理圖上，TMR 引腳連接至 BIAS 節(jié)點(diǎn)，它意味著充電周期將在充電電流減小至編程 C/X 值時(shí)立即終止。

另外，LTC4000 還負(fù)責(zé)監(jiān)視輸入電流值。假如輸入電流水平超過了編程值，則 LTC4000 將降低充電電流和電壓，從而使連接至 LVDC 的負(fù)載持續(xù)運(yùn)行而不發(fā)生中斷。輸入電流限值由電流檢測電阻器 RS1 和 RIL (圖中未示出) 來設(shè)置。

當(dāng)充電電流減小至低于 C/X 設(shè)定限值時(shí)，電池與充電電路斷接，而且 PMOS Q2 斷開。此時(shí)，LTC4000 把輸出電壓調(diào)節(jié)至高于浮置值，以確保 Q2 的體二極管被施加反向偏置且電流不會從電池流至負(fù)載。

電路描述和設(shè)置兩個(gè)控制器

在本文中，用于充電和放電的電池使用的是 NL2044HD22。這是一個(gè)鋰離子電池組，其組合了 12 個(gè) 18650 規(guī)格電池，采用 (4S3P) 配置組裝而成。電池制造商建議采用 16.8V ± 50mV 充電電壓和 4A 的最大充電電流。

設(shè)置 LTC4000

電池浮置電壓設(shè)置，BFB 引腳。注：FBG 引腳是用于連接至 BFB 和 OFB 引腳之電阻分壓器的接地回線引腳。假設(shè) RB1 為 499k，則計(jì)算出提供 16.8V 浮置電壓所需的 RB2 為 36.5k。電池輸出電壓設(shè)置，OFB 引腳。通過對應(yīng)地把 RO1 和 RO2 選擇為 499k 和 35.7k 而將此電壓設(shè)定為 18V。

電阻器 RS1，引腳 CSP 和 CSN，選擇為 12mΩ 以把充電電流限值設(shè)定為 4.1A。

電阻器 RCL 被設(shè)定為 19.1k，它把電池充電電流設(shè)定為 4.0A。

電阻器 RS2，引腳 IN 和 CLN，選擇為 5mΩ 以把輸入電流限值設(shè)定為 10.0A。

電阻器 RCX 被選擇為 21.0k。它采用 LTC4000 產(chǎn)品手冊中的對應(yīng)公式把充電終止電流設(shè)置為 0.4A。

引腳 IL 被置于開路狀態(tài)，其定義了可用于檢測輸入電流的 50mV 最大電壓。

Q1 和 Q2 選擇了相同的 30-V Si7135DP PMOS。

有關(guān)充電電路組件選擇的詳細(xì)說明和建議可查閱 LTC4000 的產(chǎn)品手冊。

設(shè)置 LTC3890

LTC3890 控制器有四種不同的版本 (LTC3890、-1、-2 和 -3)，各版本之間的差異在 LTC3890-3 產(chǎn)品手冊的表 1 中做了說明。在該解決方案中選擇了 LTC3890-3 控制器：該器件在發(fā)生過壓的情況下不會永久地接通下管 MOSFET，這一點(diǎn)在電池供電型應(yīng)用中是非常重要。不過，假如特定的功能是必需和重要的，那么可以使用四種 LTC3890 版本中的任何一種。

LTC3890 的 OUT2 (“電池輸入”總線) 由分壓器 RF1、RF2 設(shè)定為 22V，然而如上所述，實(shí)際的輸出電壓將絕對不會爬升到那么高的電平。通過選擇 37.4k 電阻器將開關(guān)頻率設(shè)定在 200kHz。電阻分壓器 RO1 和 RO2 把 VOUT1 設(shè)定為 3.3V。

如欲選擇功率鏈路組件，可以使用 LTC3890-3 的產(chǎn)品手冊以及 LTspice 和 LTpowerCAD 仿真及設(shè)計(jì)工具。

HVDC 功率預(yù)算和轉(zhuǎn)換器組件選擇

HVDC 的功率預(yù)算 (PHVDC) 組合了為電池充電所需的功率 PBAT 以及低電壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器吸取的功率 PLVDC、Vload、Iload。LVDC 向負(fù)載輸送的功率由標(biāo)稱電池電壓 Vnom 確定。假設(shè)該電壓將存在于最大電流和負(fù)載條件下：

PHVDC= (PBAT + PLVDC / ηl) / ηh; PHVDC= (Vnom * Ich + Vload * Iload / ηl) / ηh

式中的ηl 和 ηh 是 LVDC 和 HVDC 轉(zhuǎn)換器的效率。

電路性能

圖 3：輸入電源切換，每格 0.5V

Ch4，紅色，電池電流

Ch3，紫色，輸入電壓

Ch2，綠色，負(fù)載電壓 (3.3V/2A)

圖 3 示出了負(fù)載電源從輸入電壓至電池的無縫切換。Ch 4 (紅色掃跡) 示出了電池電流。當(dāng)輸入電壓存在時(shí)，電池在充電過程中吸收電流。一旦輸入電壓斷接，則由電池供應(yīng)電流 (放電)。LVDC 的輸出 Ch 2 (綠色掃跡) 未改變，該電路可在 2.0A 電流下安全地為負(fù)載提供 3.3V 電壓，這與電源無關(guān)。

圖 4：電源效率與輸入電壓的關(guān)系，Ich 為 4.0A，對流空氣冷卻

效率曲線示于圖 4。測量是在 4.0A 恒定充電電流和 16.8V 恒定浮置電壓以及采取對流空氣冷卻 (無強(qiáng)迫風(fēng)冷) 的情況下進(jìn)行的。充電器表現(xiàn)出非常高的效率 (大約 97%)。

圖 5：電源充電電壓和電流隨時(shí)間的變化情況

充電過程中充電電流和電池電壓的變化情況示于圖 5。

結(jié)論

LTC3890 和 LTC4000 是高度集成的高電壓、高性能控制器。憑借這兩款器件可以設(shè)計(jì)具電池后備功能的多功能電源。本文提供了此類電源的方框圖、詳細(xì)的電原理圖和計(jì)算指引。

LTC3890-3 是一款高性能、雙通道、降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器 DC/DC 控制器，用于驅(qū)動全 N 溝道同步功率 MOSFET 級。該器件運(yùn)用了一種恒定頻率電流模式架構(gòu)，因而可提供一個(gè)高達(dá) 850kHz 的可鎖相頻率。通過使兩個(gè)控制器輸出級異相運(yùn)作，可最大限度地降低功率損失和電源噪聲。50μA 的無負(fù)載靜態(tài)電流延長了電池供電型系統(tǒng)中的工作壽命。OPTI-LOOP® 補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)用允許在一個(gè)很寬的輸出電容和 ESR 數(shù)值范圍內(nèi)對瞬態(tài)響應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化。4V 至 60V 的寬輸入電源范圍可涵蓋眾多的中間總線電壓和電池化學(xué)組成。用于每個(gè)控制器的獨(dú)立 TRACK/SS 引腳負(fù)責(zé)在啟動期間使輸出電壓斜坡上升。電流模式控制可限制短路情況下的電感器電流。PLLIN/MODE 引腳用于在輕負(fù)載條件下選擇突發(fā)模式操作、脈沖跳躍模式或連續(xù)導(dǎo)通模式。如需具有不同和 / 或附加特性的器件版本，請參見 LTC3890 產(chǎn)品手冊中的 “表 1”。

LTC4000 是一款高電壓、高性能控制器，該器件可將許多外部補(bǔ)償?shù)?DC/DC 電源轉(zhuǎn)換為一個(gè)全功能的電池充電器。LTC4000 的電池充電器特點(diǎn)包括：準(zhǔn)確 (±0.25%) 的可編程浮置電壓、可選的定時(shí)器或電流充電終止方式、采用 NTC 熱敏電阻實(shí)現(xiàn)適宜溫度充電、自動再充電、用于深度放電電池的 C/10 涓流充電、失效電池檢測以及狀態(tài)指示器輸出功能。另外，電池充電器還具有精準(zhǔn)的電流檢測能力，可為大電流應(yīng)用提供較低的檢測電壓。LTC4000 支持智能型 PowerPath 控制。一個(gè)外部 PFET 用于提供低損耗反向電流保護(hù)。另一個(gè)外部 PFET 則負(fù)責(zé)提供電池的低損耗充電或放電。這第二個(gè) PFET 還有助于實(shí)現(xiàn) “即時(shí)接通”功能，即使在與一個(gè)嚴(yán)重放電或發(fā)生短路故障的電池相連接的情況下，此項(xiàng)功能也可提供即時(shí)的下游系統(tǒng)功率。