单片双电池电源管理器可延长运行时间并缩短充电时间
许多便携式计算机和其他现代电子产品使用两个（或更多）可充电电池来增加设备运行时间。两个电池按顺序放电可以使单个电池的运行时间加倍，但顺序系统的缺点是按顺序为电池充电也会使充电时间加倍。一种更有效的方法是并行充电和放电，与顺序系统相比，它可以使单个电池的运行时间增加一倍以上，并将充电时间缩短一半。虽然长期以来一直可以并联多个电池的充电和放电，但到目前为止，很难设计出电路来做到这一点。LTC®1960 双电池电源管理器通过在单片式器件中包括许多所需的功能并大大简化了控制接口，解决了并联电池系统中固有的许多设计问题。结果是增加电池运行时间并显着减少双电池系统充电时间的简单方法。
有吸引力的功能，但难以实施
它是如何工作的？图1显示了在高电流消耗应用中，并联两个电池可以将电池放电时间延长到单个电池的两倍以上。当两节电池均等地分担负载电流时，内部电池I2每个电池的R功率损耗减少四分之一。这导致更长的运行时间，可能增加 12%。就时间而言，12% 表示超过 21 小时的运行时间，超出 3 小时的基线。具有高内阻值的常用电池化学成分从并联操作中受益最大。
图1.双（同时）系统和顺序系统的电池放电时间比较。
图 2 显示了充电时间的优势。相对于在充电终止期间使用恒流 （CC） 模式的电池，在充电终止期间使用恒压 （CV） 模式的电池需要很长时间才能达到其全部容量。具体来说，锂离子电池是当今使用的最流行的便携式计算机电池化学物质之一。锂离子电池有两个充电阶段：一个电流限制阶段，其中大部分能量被投入电池，以及一个CV阶段，其中电流起初迅速下降，但随着电流逐渐接近零电流而减慢。问题在于，电池在总充电周期时间的前半段仅填充到其容量的85%左右，而剩余的15%则需要同样多的时间。从用户的角度来看，两块电池的充电时间变得过长。通过并行充电，相对于顺序充电，充电时间几乎减少了一半，原因有三：
每个电池中的电流越小，内部电池压降越小，允许更长的电流限制阶段，因此在进入CV阶段之前达到更高的充电容量点（90%）。
当两个电池在CV阶段同时充电时，在CV阶段花费的时间是使用顺序充电的一半。
由于双充电模式下的共享电流导致给定电池接收的速率低于其最大允许速率，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。同时对两个具有不同端电压的电池进行直接电并联放电会导致两个电池之间危险的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，在运行时间内提供很少或没有净增益。
然后是将两个锂离子电池并联充电以正确终止充电的问题，同时保持独立于电流的精密电压。如果使用的电池不是相同的化学或电压（电池计数）配置，则一切都会更加复杂。
另一个问题是在所选电源断电或无意中移除时实施电源危机管理。考虑到空间和成本限制，在系统尝试切换到另一个电源时，添加大容量电容来支撑系统在当今的产品中不是一种选择。还存在安全问题，例如防止主机崩溃时电池意外过度充电，以及安全处理失去控制的灾难性短路情况。
设计人员早就知道，创建一个能够完成所有这些技巧并适合现代电路板上有限空间的电路几乎是不可能的，直到现在......
介绍 LTC1960
LTC®1960 是首款单芯片双电池电源路径™以及允许电池双并联充电和放电的充电控制器。该 IC 是一个完整的vwin 构建模块，在主机微控制器的控制下，能够以最少的器件数量安全地实现上述所有功能。除了充电和放电 PowerPath 控制之外，LTC1960 还在单个 IC 中集成了两个用于充电控制的精准 DAC、一个看门狗定时器、完整状态报告位、输入电流限制、短路过载保护和自动电源危机管理，该 IC 可工作在高达 32V 的电压下。图 3 显示了系统架构。
图3.LTC1960系统架构。
LTC1960 可分为两个主要部件：一个 PowerPath 控制器和一个充电器控制器。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，可在电池之间精确跟踪电压。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，但没有功率损耗问题或电压降随电流的变化。高速比较器监视反向电流条件，并在几微秒内关断 MOSFET。欠压检测器观察负载处的突然电压损失，并在几微秒内打开所有电源，无需主机干预。在CPU过压情况或其他系统级危机的情况下提供高速紧急关断输入。最后，还有一个基于时间和电流的组合短路保护系统，可保护 PowerPath MOSFET 在短路时免受损坏。
充电器控制器采用同步整流，具有高效率和高电流能力，具有0.5V低压差能力和99%最大占空比。该器件提供系统级精度差情况下为 ±11.0% 的 8 位电压 DAC，以及精度为 5% 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期间，通常需要如此低的电流。LTC1960 充电器通过在低电流模式下进行脉冲充电来解决此问题。通过使用时间平均，精度可以保持到毫安级。获得专利的 5% 精度输入电流限制阈值允许使用墙上适配器的所有电源尽快为电池充电。过压比较器检测到电池突然断开并关闭充电器，直到过压条件清除。图4所示为完整充电器的原理图。
图4.完整的充电器原理图。
理想二极管
图5显示了一个与电池安全并联以进行放电的电路。该解决方案的独特之处在于，它可以驱动电池电源路径中使用的两个背靠背串联MOSFET，用作虚拟理想二极管。IC主动驱动P沟道MOSFET的栅极Q7，这样当电流流出电池时，两个MOSFET两端的压降被调节至25mV。这至少比最好的肖特基二极管提高了 20 倍，其中 30 倍的改进更为典型。
图5.单电池路径放电控制器。
当负载电流乘以R时达到调节上限DS（ON）的Q7超过25mV。如果压降降至25mV以下，则Q7缓慢关断，阻止电流流动。如果MOSFET两端的电压在任何时候被反转，幅度超过20mV，MOSFET将立即关断。该电路的功率损耗小于任何其他解决方案，不包括机电开关。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。
自动均流
在双通道并联充电配置中，LTC1960 实际上并不控制流入每个单独电池的电流。这项工作由电池本身处理。每个电池的容量或安培小时额定值决定了充电器电流的共享方式。这种电流的自动转向使两个电池同时达到其全部容量点。换句话说，假设所有其他条件相同，充电终止将同时发生。
充电电池可以建模为一个巨大的电容器，因此受相同的定律管辖。
一组或并联电池的等效型号是一组并联电容器。由于它们是并联的，因此每个电池的电压随时间的变化是相同的。
从这里我们可以简化。
电流除以电池额定容量的比率。进入两个电池的电流总和与充电器提供的电流相同。这与充电器的模式（CC 或 CV）无关。
请注意，实际观察到的均流值将与制造商指定的容量额定值有所不同，因为它基于充电时的实际物理容量。
双电池放电
充电规则也适用于处理类似电池时的放电。均流量是两个电池之间充电状态的直接函数。对两个具有相同配置、特性和充电状态的电池放电将允许它们保持它们建立的任何均流水平，直到两个电池同时耗尽能量。特性略有不匹配的并联电池将在略有不同的时间耗尽能量，因为它们具有不同的实际容量。
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，当电池电压等于为电池指定的终止电压时，CV电池将充满。实际上，串联（ESR）电阻会使电池电压看起来比实际更高，因为内部串联电阻两端的压降被添加到实际电池电压中。因此，电流逐渐减少，直到电阻压降归零，而不是即时终止充电。
不幸的是，您永远不会达到充电终止，因为充电电流渐近接近于零。这就需要一个与接近100%的容量相对应的截止电流阈值。由于压降与充电电流成正比，通过两个电池组之间的均流减少电流，两个电池的充电速度将比每个电池以串行（顺序）方式充电时更快。换句话说，允许并联电池放电运行时间更长的相同属性也可以减少总充电时间。LTC1960 的 25mV 低理想二极管压降将确保两节电池几乎同时端接。肖特基二极管方法会在两个电池之间产生更大的充电状态差异，当两个电池中的一个确定它已满时。
涡轮增压
在充电的CC阶段并联为锂离子电池充电还有另一个优势。如果壁式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，则充电器可以以更高的充电速率（高达 2C）进行编程，因为充电电流将在两个电池之间共享。
通过输入电流限制充电至最大值
LTC1960 具有凌力尔特获得专利的墙上适配器电流限制功能。该电路监视从墙上适配器汲取的电流，并允许电池以尽可能高的电流充电，而不会超过适配器的额定电流。在纯电流操作方面，充电器输入电流和系统负载电流的总和绝不允许超过墙上适配器的最大额定电流。该电路的工作原理是在潜在的适配器过载时不断自动调整充电器输出电流，以便从适配器汲取恒定电流而不会超过其额定值。当系统负载释放适配器电流时，充电器将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更快地充电，而无需更大的墙上适配器。
安全充电
除了理想的二极管反向电流保护之外，LTC1960 中还包括一个看门狗定时器，以防止在主机意外停机或崩溃时意外过充电。只需每秒写入充电器控制寄存器即可保持充电器运行。如果充电器超时，则一旦对充电控制寄存器进行新的写入，就会恢复充电。不会丢失电压和电流电荷值。LTC1960 在设定充电器电压和电流值时具有逐位回读功能，因而允许无差错编程，而无需任何专门的错误检查代码或软件。
两块以上的电池？没关系
对于两节电池不够用的情况，例如在备用电源情况下，可以将 LTC1960 配置为使用两节以上的电池工作。该 IC 设计为允许并联使用多个 LTC1960，而添加到系统中的每个 LTC1960 只需从主机微控制器进行一次额外连接。
自动危机电源管理
PowerPath 控制的另一个方面是能够处理负载突然断电的情况。LTC1960 允许从三个选项中选择单个电源 — 交流电源适配器和两个电池 — 作为系统的唯一电源。LTC1960 通过监视 SCN 引脚上所有三个电源的求和点处的电压 （负载电压） 来管理电源 （参见图 4）。称为LOW_PWR的可编程电压比较器可检测功率损失并激活3二极管模式（3DM），以便在系统发生故障之前恢复系统电源，而不管选择何种原始电源。3DM模式是指所有三个电源都连接到负载的状态。当检测到压降时，三个MOSFET（Q2、Q5和Q8）在10μs内导通LOW_PWR;通过Q1、Q6和Q7的二极管功能将所有三个电源并联。具有最高电压的电源将拾取负载，并可实现多源均流。理想的二极管MOSFET在防止能量从任何电源传输到任何其他电源方面具有活性。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。
三次罢工，你就出局了
LTC1960 可被编程为使用双电池和墙上电源的任何电源配置，但它不会强制解决根本无法提供足够电压的配置的问题 （除非主机系统要求）。每当LOW_PWR跳闸时，LTC1960 就会假定最差情况并自动进入 3DM 模式。它等待 1 秒钟，然后在重新连接原始预LOW_PWR电源配置时关闭 3DM 模式。LTC1960 每次跳闸时都会递增电源故障计数器LOW_PWR并且对于任何特定配置连续三次触发时，它进入 3DM 并保持在那里。它还在 LTC1960 状态寄存器中设定 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，系统软件就负责确定当前电源配置是否仍可用作电源，或者如果不可，是否应将其替换为另一种配置。
超灵活的放电电源路径管理
每个放电 PowerPath 都可以单独选择或以任意组合方式选择，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 PowerPath（3DM 模式），而不用关心电源配置。在启动时，LTC1960 默认为 3DM 模式，直到通过串行接口选择一条特定路径。如果未选择任何选项，它将保持 3DM 模式。这大大简化了 LTC1960 的集成。无需软件：只需插入即可使用！
现实短路保护
LTC1960 提供了针对过大电流的短路保护。当RSC两端的电压超过100mV标称值时，启动一个15ms定时器。如果在定时器周期结束时，负载电流未降至跳变点以下，则 LTC1960 将停机。15ms 定时器允许瞬态电流通过，从而防止过早关断。
紧急系统关闭
LTC1960 将针对两个事件中的任何一个关断。首先是由于系统短路引起的电流过大，如上所述。另一种是主机系统通过将DCDIV引脚驱动到7V以上来告诉它关断。DCDIV输入允许系统设计人员在紧急情况下断电，也许是为了保护CPU免受过压情况的影响。关断模式是一种锁存模式，无论 PowerPath 寄存器设置如何，它都会强制所有充电和放电 FET 进入关断状态。LTC1960 通过循环断电然后再次接通来复位。
精密墙上适配器（输入）电压跳变点
为了最大限度地降低高功率水平下的功耗，通常需要电池充电器在低压差情况下工作。准确的墙上适配器电压检测可能至关重要。LTC1960 具有一个用户可调的墙上适配器输入电压跳变点设置，其误差小于一个 2%。例如，您可以使用额定电压低至 13.2V 的墙上适配器进行有效的交流电检测，并且仍能为 12.6V 3 芯锂离子电池充电。
简单的串行接口
串行连接基于串行外设接口 （SPI） 协议，该协议是一种允许主机 CPU 与许多外围设备通信的通信系统。SPI是一种非常简单的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器件与任何微处理器兼容。鉴于 LTC1960 功能集成度较高，串行接口大大减少了主机和 IC 之间所需的信号数量，从而腾出主机引脚用于其他功能。
结论
LTC1960 是第一个完整的双电池片上双电池放电-充电系统解决方案。它降低了解决方案成本、开发时间、PCB 空间和零件数量，同时提供了相对于当今可用的任何其他解决方案更多的控制、安全性和自动危机管理。结合主机微控制器，它可以灵活地在用户专有和基于智能电池的应用中工作。LTC1960 所能实现的限值完全取决于控制 IC 的软件。虽然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份应用（例如小型服务器中的电池备份应用）的良好解决方案。
审核编辑：郭婷
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