高效率USB 電源管理系統從汽車電源安全地給鋰離子/ 鋰聚合物電池充電

高 效 率 USB 電 源 管 理 系 統 從 汽 車 電 源 安 全 地 給 鋰 離 子 /鋰 聚 合 物 電 池 充 電 – 設 計 要 點 464George H. Barbehenn引 言汽 車 電 源 系 統 是 非 常 嚴 酷 的 電 子 環 境 。 當 標 稱 電 壓 範圍 為 10V 至 15V (ISO7637) 時 , 有 可 能 出 現 達 90V 的瞬 態 電 壓 , 而 且 在 某 些 場 合 中 還 會 發 生 電 池 反 接 。 圍繞 該 系 統 來 構 建 汽 車 電 子 線 路 是 頗 為 直 接 , 但 是 , 越來 越 多 的 最 終 用 戶 希 望 利 用 汽 車 電 池 來 運 作 便 攜 式 電子 產 品 ( 例 如 :GPS 系 統 或 音 樂 / 視 頻 播 放 器 ), 並 為 其鋰 離 子 電 池 充 電 。 為 了 實 現 這 一 願 望 , 需 要 擁 有 一 個緊 湊 、 堅 固 、 高 效 和 易 於 設 計 的 充 電 系 統 。適 合 在 大 瞬 變 環 境 中 使 用 的 完 整 USB /電 池 充 電 解 決 方 案圖 1 示 出 了 這 樣 的 一 款 設 計 。 該 完 整 的 PowerPath管 理 器 和 電 池 充 電 器 系 統 能 夠 從 各 種 各 樣 的 高 電 壓 或USB 電 源 來 對 鋰 離 子 電 池 進 行 無 縫 充 電 。在 該 電 路 中 ,LTC ® 4098 USB 電 源 管 理 器 / 鋰 離 子 電池 充 電 器 負 責 控 制 一 個 LT3480 HV 降 壓 型 穩 壓器 。LTC4098 的 Bat-Track 功 能 可 從 低 電 壓 和 高 電壓 電 源 提 供 一 種 高 效 率 、 低 功 耗 的 電 池 充 電 器 。Bat-Track 功 能 用 於 控 制 一 個 內 部 輸 入 電 流 限 制 的 開 關 穩壓 器 , 以 把 V OUT 調 節 至 約 V BAT + 0.3V , 這 最 大 限 度地 提 高 了 電 池 充 電 器 的 效 率 , 從 而 以 最 小 的 峰 值 儲備 空 間 來 運 作 電 池 充 電 器 並 實 現 功 耗 的 最 小 化 。 此外 ,Bat-Track 功 能 還 通 過 允 許 充 電 電 流 大 於 USB 輸入 電 流 限 值 而 縮 短 了 充 電 時 間 。 開 關 穩 壓 器 起 一 個 變換 器 的 作 用 , 負 責 將 輸 出 電 壓 變 換 成 輸 出 電 流 。LTC4098 能 夠 通 過 WALL 和 V C 引 腳 將 Bat-Track 原理 擴 展 至 一 個 輔 助 穩 壓 器 。 當 WALL 引 腳 上 具 有 足夠 的 電 壓 時 ,Bat-Track 功 能 將 通 過 V C 引 腳 來 控 制 輔助 穩 壓 器 的 輸 出 , 從 而 把 穩 壓 器 的 輸 出 保 持 在 V BAT+ 0.3V。、LT、LTC 和 LTM 是 凌 力 爾 特 公 司 的 注 冊 商 標 。PowerPath 和 Bat-Track是 凌 力 爾 特 公 司 的 商 標 。 所 有 其 他 商 標 均 為 其 各 自 擁 有 者 的 產 權 。圖 1:LTC4098 USB 電 源 管 理 器 / 鋰 離 子 電 池 充 電 器 與 一 個 LT ® 3480 HV 降 壓 型 穩 壓 器 配 合 工 作 , 以 接 受來 自 汽 車 環 境 或 Firewire 系 統 的 功 率 。 過 壓 保 護 電 路 同 時 保 護 了 IC 和 下 遊 電 路 。08/09/464

LTC4098 還 具 備 一 種 過 壓 保 護 功 能 , 在 不 穩 定 的 電源 電 壓 環 境 中 , 這 一 點 是 很 重 要 。 當 OVSENSE 引 腳上 的 電 壓 超 過 大 約 6V 時 , 過 壓 保 護 電 路 將 關 斷 一 個 N溝 道 保 護 MOSFET (M2)。 電 壓 保 護 的 上 限 值 僅 受 限 於MOSFET 的 擊 穿 電 壓 以 及 流 入 OVSENS 引 腳 的 電 流 。過 壓 保 護 功 能 覆 蓋 整 個 電 池 充 電 器 /電 源 管 理 器 系 統LTC4098 的 過 壓 保 護 功 能 可 保 護 電 路 的 任 何 部 分 。 在圖 1 中 , 保 護 作 用 被 擴 展 至 LT3480 的 V IN 輸 入 。 過 壓停 機 門 限 被 設 定 為 24V。 該 門 限 提 供 了 充 足 的 裕 度 以應 付 破 壞 性 的 過 壓 , 而 不 會 干 擾 電 路 的 正 常 運 作 。在 圖 1 中 ,M1 是 一 個 P 溝 道 MOSFET, 負 責 提 供 反 向電 壓 保 護 ; 而 M2 則 是 一 個 過 壓 保 護 MOSFET,M3用 於 對 LTC4098 的 OVGATE 輸 出 進 行 電 平 移 位 。如 果 HVIN 電 壓 小 於 0V, 則 通 過 R3、R4 和 R5 把M1 和 M2 的 柵 極 和 源 極 電 壓 均 保 持 在 地 電 位 , 從 而確 保 它 們 處 於 關 斷 狀 態 。 如 果 HVIN 電 壓 位 於 8V 和約 24V 之 間 , 則 通 過 LTC4098 的 OVGATE 引 腳 將M3 的 柵 極 驅 動 至 高 電 平 。 這 將 通 過 把 M1 和 M2 的 柵極 電 壓 拉 至 其 源 極 電 壓 以 下 7V 至 10V ( 利 用 M3、D1、R1 和 R5) 來 接 通 M1 和 M2。 當 M1 和 M2 接 通 時 ,電 流 將 從 HVIN 流 至 V IN , 系 統 將 正 常 運 作 。如 果 HVIN 輸 入 超 過 約 24V, 則 LTC4098 將 把 M3的 柵 極 驅 動 至 地 電 位 , 這 允 許 R5 把 M1 和 M2 的 V GS減 小 至 0V, 從 而 將 它 們 關 斷 並 使 HVIN 與 V IN 斷 接 。M1、M2 和 M3 具 有 一 個 100V 的 BV DSS , 所 以 該 電路 能 夠 承 受 約 –30V 至 100V 的 電 壓 。 它 將 在 8V 至 大約 24V 的 電 壓 範 圍 內 正 常 運 作 。 這 種 組 合 非 常 適 合於 嚴 酷 的 汽 車 環 境 , 因 而 提 供 了 一 款 用 於 從 汽 車 電源 系 統 來 給 鋰 離 子 電 池 充 電 的 堅 固 、 低 成 本 和 高 效的 解 決 方 案 。最 後 , 設 定 OVSENS 電 阻 分 壓 器 需 要 謹 慎 從 事 。 對 於一 個 處 於 約 2V 至 6V 之 間 的 OVSENS 電 壓 ,V OVGATE= 1.9 • V OVSENS 。OVSENS 箝 位 於 6V, 而 流 入 ( 或 流出 ) OVSENS 引 腳 的 電 壓 應 不 超 過 10mA。 所 選 的 電阻 分 壓 器 將 HVIN 電 壓 減 低 4 倍 , 於 是 當 HVIN 電 壓超 過 大 約 8V 時 ,M3 具 有 足 夠 的 柵 極 電 壓 以 實 現 接通 。 當 HVIN = 100V 時 , 流 入 OVSENS 引 腳 的 電 流 僅為 2.25mA ( 遠 遠 低 於 10mA 的 限 值 )。如 圖 2 所 示 ,V IN 僅 在 HVIN 處 於 8V 至 24V 區 域 內時 存 在 。 圖 3 給 出 了 一 幅 重 點 表 現 負 載 突 降 斜 坡 的特 寫 。ISO7637 測 試 斜 坡 在 5ms 的 時 間 裡 從 13.2V 上升 至 90V 。 存 在 一 個 220µs 的 關 斷 延 遲 — OVGATE走 低 至 M1 和 M2 的 柵 極 電 壓 — 這 將 在 V IN 上 產 生一 個 過 衝 。 該 過 衝 的 最 大 值 為 3.5V (V VIN (MAX) ≈27.5V)。 可 針 對 不 同 的 斜 坡 速 率 來 計 算 這 個 過 衝 的大 小 , 於 是 :V OVERSHOOT = ∆V/∆t • t DELAY其 中 的 ∆V = (90V – 13.6V),∆t = 5ms, 而 t DELAY= 220µs, 因 此 ,V OVERSHOOT = 3.36V。如 果 希 望 延 遲 較 短 ( 因 而 過 衝 較 小 ), 則 一 個 有 源 關 斷電 路 能 夠 把 從 OVGATE 至 M1 和 M2 柵 極 的 延 遲 縮 短至 幾 微 秒 。結 論LT3480 高 電 壓 降 壓 型 穩 壓 器 和 LTC4098 鋰 離 子 / 鋰聚 合 物 電 池 充 電 器 再 加 上 少 量 的 外 部 元 件 , 便 造 就 了一 款 堅 固 型 高 性 能 鋰 離 子 電 池 充 電 器 , 適 合 於 那 些 插入 汽 車 電 源 的 便 攜 式 電 子 產 品 , 並 保 持 了 與 USB 電源 的 兼 容 性 。 該 電 路 提 供 了 客 戶 所 期 盼 的 全 部 功 能 以及 針 對 電 池 反 接 和 負 載 突 降 瞬 變 的 電 壓 保 護 。產 品 手 冊 下 載www.linear.com.cn圖 2: 按 照 ISO7673 標 準 提 供 了 可 安 全承 受 輸 入 瞬 變 的 過 壓 保 護 功 能圖 3: 用 於 顯 示 在 HVIN 上 過 衝 的圖 2 波 形 特 寫如 要 獲 得 更 多 資 料 或 技 術 支 持 , 請 与 我 們 的 銷 售部 或 當 地 分 銷 商 聯 絡 , 也 可 瀏 覽 我 們 的 网 址 :www.linear.com.cn 或 電 郵 到 info@linear.com.cn凌 力 爾 特 有 限 公 司Linear Technology Corp. Ltd.www.linear.com.cn香 港 電 話 :(852) 2428-0303北 京 電 話 :(86) 10-6801-1080上 海 電 話 :(86) 21-6375-9478深 圳 電 話 :(86) 755-8236-6088艾 睿 電 子 亞 太 有 限 公 司Arrow Asia Pac Ltd.www.arrowasia.com香 港 電 話 :(852) 2484-2484北 京 電 話 :(86) 10-8528-2030上 海 電 話 :(86) 21-2893-2000深 圳 電 話 :(86) 755-8836-7918駿 龍 科 技 有 限 公 司Cytech Technology Ltd.www.cytech.com香 港 電 話 :(852) 2375-8866北 京 電 話 :(86) 10-8260-7990上 海 電 話 :(86) 21-6440-1373深 圳 電 話 :(86) 755-2693-5811派 睿 電 子 有 限 公 司Premier Electronics Limitedwww.premierelectronics.hk香 港 電 話 :(852) 2268-9888北 京 電 話 :(86) 10-6260-8088上 海 電 話 :(86) 21-6249-3311好 利 順 電 子 香 港 有 限 公 司Nu Horizons Electronics Asia Pte Ltd.www.nuhorizons.com香 港 電 話 :(852) 3511-9911北 京 電 話 :(86) 10-8225-1376上 海 電 話 :(86) 21-6441-1811深 圳 電 話 :(86) 755-3398-2850dn464fa 0809 142.8K • PRINTED IN CHINA© LINEAR TECHNOLOGY CORPORATION 2009