如何緩解便攜式電子設(shè)備的電量焦慮？有一顆“好心臟”很重要

社交網(wǎng)站上，曬個人EDC始終是一股樂此不疲的風潮。EDC（Every Day Carry）其實并不是一個新鮮玩意兒，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機是EDC，現(xiàn)在出門不離手的手機等設(shè)備也是EDC。不難看出，隨著時代的發(fā)展，便攜式電子設(shè)備在EDC中占據(jù)了越來越多的份量，部分人群甚至會選擇攜帶手機、手環(huán)、筆記本、數(shù)碼相機、藍牙耳機等多個設(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)計一顆“好心臟”。

多種輸入+電池反向保護，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)計電源及電池管理系統(tǒng)時有不少講究。不同應用設(shè)備的充電需求并不一樣，無論是像化學組成、電池單元數(shù)量此類電池參數(shù)，抑或是USB輸入、太陽能輸入此類的輸入?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，最終才能給出最佳的解決方案。

面對眾多輸入電壓、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。其余更復雜的組合和拓撲，通常采用的集成電路和分立式組件組合，繁瑣累贅。但其實，對于五花八門的需求，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難題。

帶INFET 反向隔離的LTC4162

LTC4162 可以對壁式適配器、背板和太陽能電池板等多種輸入源進行高效功率傳送，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 35V 的系統(tǒng)負載供電。該器件提供先進的系統(tǒng)監(jiān)控和電源通路 (PowerPath) 管理，以及電池健康狀況監(jiān)測功能。當要求主微控制器訪問 LTC4162 最先進的功能時，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行調(diào)節(jié)。這款器件提供精準的 ±5% 充電電流調(diào)節(jié) (高達 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。其應用包括便攜式醫(yī)療儀器、為 1 至 5 個設(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)充電配置針對多種電池化學組成進行了優(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)電池溫度自動調(diào)節(jié)，以遵循 JEITA 規(guī)范或定制設(shè)置。

對于充電IC而言，還有一個常見的問題在于電池反向阻斷保護：當 Vin 輸入低于電池電壓，部分充電 IC 不能反向隔離電池，電池電壓會通過 IC 的 Vin 進入到電源系統(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，以防止輸入斷開時的電池反向供電，這無疑增加了電路設(shè)計的復雜度。LTC4162 具備電池防反功能，可以防止電池電壓反灌到 Vin。

精準電量測量帶來更安心的用電體驗
在部分老式電子設(shè)備中，“虛電”是一種常見的現(xiàn)象。虛電的設(shè)備的電池電量指示器讀數(shù)和實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，消費者需要一直擔憂設(shè)備用電情況。實際上，電量測量設(shè)計確實存在挑戰(zhàn)，因為電池的電氣特性始終處于變化之中。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間流逝而降低，同時充電和放電速率隨溫度改變而變化。設(shè)計良好的電池系統(tǒng)盡可能多地連續(xù)應對這類參數(shù)漂移，以向最終用戶提供準確度一致的電池性能標準，例如充電時間、估計電量或預期電池壽命。

目前的研究顯示，精確的庫倫計數(shù)以及精確的電壓、電流和溫度是準確估計 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)使我們能夠準確地確定電池位于充電或放電曲線的哪一點上，這時庫倫計數(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提供一款簡便的 60 V 電池電量計LTC2944，該芯片集成了一個庫倫計數(shù)器，可以非常方便地復制和粘貼到多種設(shè)計中，而不受電池化學組成的影響，專門為準確測量單節(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 99%的準確度測量電量

電量的本質(zhì)是是電流對時間的積分。LTC2944 通過監(jiān)視檢測電阻器兩端呈現(xiàn)的電壓，以高達 99% 的 準確度測量電量，檢測電壓范圍為 ±50 mV。值得一提的是，LTC2944 的庫倫計數(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總體電量誤差的影響。很多庫倫計數(shù)電池電量計對檢測電阻器兩端的電壓進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并累積轉(zhuǎn)換結(jié)果以計算電量。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讀數(shù)時。例如，考慮一個電池電量計，該電量計采用基于 ADC 的庫倫計數(shù)器，最大規(guī)定差分電壓偏移為 20μV，當以數(shù)字方式對 1 mV 輸入信號進行積分時，偏移導致的電量誤差會是 2%。相比之下， 使用 LTC2944 的模擬積分器時，偏移導致的電量誤差僅為 0.04%，為前者的 1/50！

LTC2944的另一獨到之處在于其數(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 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)品到大功率電動型汽車的任何應用的需求。無需在電源或測量引腳上使用額外的電平移位電路而使設(shè)計復雜化， 電池（或電池組）與 LTC2944 之間可以直接連接， 這極大地簡化了硬件設(shè)計。最大限度減少外部組件 數(shù)量也降低了總體功耗，并提高了準確度，因為不存在電阻分壓器等組件。

總結(jié)
便攜式電子設(shè)備想要獲得一個好的使用體驗，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)計總是需要在在體積、可靠性、功能、效率、散熱、價格等方面進行平衡，并給設(shè)計人員帶來越來越嚴峻的挑戰(zhàn)。ADI提供的多種功能 IC可幫助電源工程師專注于應用解決方案，使產(chǎn)品在眾多要求中達到一個合理的平衡，并給消費者帶來更良好的使用體驗。