引言

本文介紹的電路對于設計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運作。所提出的解決方案可嵌入到不間斷電源系統或小型獨立式模塊中。其能夠成功地在工業和安全應用、油氣勘探通信系統中使用。寬輸入電壓范圍使其成為汽車工業 （包括安放在引擎罩下以及座艙中的電氣系統） 的上佳之選。

本文旨在描述采用 24V 至 60V 輸入電壓范圍 （當輸入電源可用時） 或 14.4V 電池組 （當輸入電源不可用時） 來為 3.3V 電壓軌提供不間斷電源。當輸入電源接入時，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 的一項優勢是極低的 50μA 無負載靜態電流。低靜態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 可減少與柵極有關的損耗并提升總體系統效率。本文介紹的電路采用一個 LTC3890 輸出來提供固定和準確的電壓以為客戶負載供電，而且它采用第二個輸出作為用于電池充電的可變電壓電源 （其由 LTC4000 負責控制）。LTC4000 是一款專為轉換 DC/DC 電源而設計的控制器，一般充當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輸入電流和減小輸入線路所承受之應力的能力。在某些應用中，當電源不得不同時為電池充電和高耗電負載提供能量時，其具有非常高的重要性。

電路描述

所提出電路的方框圖示于圖 1，其具有一個寬輸入電壓范圍：從 24V 至高達 60V。該電路包括以下元件：基于一個輸出 LTC3890 轉換器的高電壓 DC/DC 轉換器 （HVDC）、基于 LTC4000 的實際電池充電器和基于另一個輸出 LTC3890 轉換器的低電壓 DC/DC 轉換器 （LVDC）。HVDC 轉換器可在 15V 至 22V 的輸出電壓范圍內提供高達 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。該電池組規格在 VMAX=16.8V、 VNOM = 14.4V 和 VCUTOFF = 9.6V，并具有 6.6Ah 容量。

詳細的電原理圖示于圖 2。其基于一個高電壓降壓型開關穩壓器 LTC3890。第一個輸出 LTC3890 受控于 LTC4000 并分配用于給兩個負載供電：電池充電器和 LVDC。來自 LTC4000 的控制信號被賦予高優先級，其負責設定 LTC3890 第一個輸出的電壓電平以確保實現準確的電池充電。該輸出上的電壓電平不是固定的，其遵循電池充電周期。LTC3890 的第二個輸出為 LVDC，其由第一個輸出提供并向負載提供 3.3V 固定電壓。此輸出上的電壓電平不依賴于系統電壓、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現無縫切換。

LTC4000 充電電路負責執行以下功能：

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

把整個系統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中是很重要

電壓軌的標示類似于 LTC4000 演示電路 1830A，其也用于原型設計和模擬板試驗推薦的電路。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 負責限制至系統的輸入電流。理想二極管。Q1 在 VIN 電壓中斷時斷開，并把 HVDC 與電池組斷接。

VOUT-SYS電壓軌產生自 PMOS Q1 的源極，而且它負責為電池 （在充電期間） 和 LVDC 饋電。

PMOS Q2是 LTC4000 PowerPath? 控制器的一部分。LVDC 由 VOUT-SYS 電壓軌供電，而且它負責向終端負載提供功率，Q5、Q6、L2 構成了該轉換器的功率鏈路。

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

當施加輸入電壓時，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到 0.8V 為止。到那時候，LTC4000 電池充電器運行，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 引腳上對應的反饋信號） 設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） 調節輸出。LTC3890 IC 負責控制開關 NMOS Q1，而 Q2 則受控于 LTC4000。由于 LTC3890 的電壓設定值超過了 LTC4000 所設定的實際 （浮置） 電壓，因此 LTC3890 的誤差放大器 （EA） 將供應電流以試圖提高其 ITH 引腳上的電壓。接著 LTC4000 將吸收電流，從而把 ITH 電壓保持在穩定狀態。浮置電壓由電阻分壓器 RB1、RB2 設定。

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 設置。LTC4000 調節充電電流，直到電池電壓達到浮置值為止。一旦電池電壓達到浮置值，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，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 節點，它意味著充電周期將在充電電流減小至編程 C/X 值時立即終止。

另外，LTC4000 還負責監視輸入電流值。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 的負載持續運行而不發生中斷。輸入電流限值由電流檢測電阻器 RS1 和 RIL （圖中未示出） 來設置。

當充電電流減小至低于 C/X 設定限值時，電池與充電電路斷接，而且 PMOS Q2 斷開。此時，LTC4000 把輸出電壓調節至高于浮置值，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載。

電路描述和設置兩個控制器

在本文中，用于充電和放電的電池使用的是 NL2044HD22。這是一個鋰離子電池組，其組合了 12 個 18650 規格電池，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。

設置 LTC4000

電池浮置電壓設置，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 RB1 為 499k，則計算出提供 16.8V 浮置電壓所需的 RB2 為 36.5k。電池輸出電壓設置，OFB 引腳。通過對應地把 RO1 和 RO2 選擇為 499k 和 35.7k 而將此電壓設定為 18V。

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

電阻器 RCL 被設定為 19.1k，它把電池充電電流設定為 4.0A。

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

電阻器 RCX 被選擇為 21.0k。它采用 LTC4000 產品手冊中的對應公式把充電終止電流設置為 0.4A。

引腳 IL 被置于開路狀態，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。

有關充電電路組件選擇的詳細說明和建議可查閱 LTC4000 的產品手冊。

設置 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：該器件在發生過壓的情況下不會永久地接通下管 MOSFET，這一點在電池供電型應用中是非常重要。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 設定為 22V，然而如上所述，實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 電阻器將開關頻率設定在 200kHz。電阻分壓器 RO1 和 RO2 把 VOUT1 設定為 3.3V。

如欲選擇功率鏈路組件，可以使用 LTC3890-3 的產品手冊以及 LTspice 和 LTpowerCAD 仿真及設計工具。

HVDC 功率預算和轉換器組件選擇

HVDC 的功率預算 （PHVDC） 組合了為電池充電所需的功率PBAT以及低電壓 DC/DC 轉換器吸取的功率PLVDC、VLOAD、ILOAD。LVDC 向負載輸送的功率由標稱電池電壓VNOM 確定。假設該電壓將存在于最大電流和負載條件下：

PHVDC= （PBAT + PLVDC / ηl） / ηh; PHVDC= （VNOM * ICH + VLOAD * ILOAD / ηl） / ηh

式中的ηl和ηh是LVDC和HVDC轉換器的效率。

電路性能

Ch4，紅色，電池電流

Ch3，紫色，輸入電壓

Ch2，綠色，負載電壓 （3.3V/2A）

圖 3 示出了負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。當輸入電壓存在時，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 電流下安全地為負載提供 3.3V 電壓，這與電源無關。

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 （無強迫風冷） 的情況下進行的。充電器表現出非常高的效率 （大約 97%）。

充電過程中充電電流和電池電壓的變化情況示于圖 5。

結論

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計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、詳細的電原理圖和計算指引。

LTC3890-3 是一款高性能、雙通道、降壓型開關穩壓器 DC/DC 控制器，用于驅動全 N 溝道同步功率 MOSFET 級。該器件運用了一種恒定頻率電流模式架構，因而可提供一個高達 850kHz 的可鎖相頻率。通過使兩個控制器輸出級異相運作，可最大限度地降低功率損失和電源噪聲。50μA 的無負載靜態電流延長了電池供電型系統中的工作壽命。OPTI-LOOP? 補償的運用允許在一個很寬的輸出電容和 ESR 數值范圍內對瞬態響應進行優化。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組成。用于每個控制器的獨立 TRACK/SS 引腳負責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 引腳用于在輕負載條件下選擇突發模式操作、脈沖跳躍模式或連續導通模式。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償的 DC/DC 電源轉換為一個全功能的電池充電器。LTC4000 的電池充電器特點包括：準確 （±0.25%） 的可編程浮置電壓、可選的定時器或電流充電終止方式、采用 NTC 熱敏電阻實現適宜溫度充電、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指示器輸出功能。另外，電池充電器還具有精準的電流檢測能力，可為大電流應用提供較低的檢測電壓。LTC4000 支持智能型 PowerPath 控制。一個外部 PFET 用于提供低損耗反向電流保護。另一個外部 PFET 則負責提供電池的低損耗充電或放電。這第二個 PFET 還有助于實現 “即時接通”功能，即使在與一個嚴重放電或發生短路故障的電池相連接的情況下，此項功能也可提供即時的下游系統功率。