Victor Khasiev and Gabino Alonso

本文介紹的電路對于設(shè)計緊湊型電源非常有用，并且對于輸入電源中斷條件下的系統(tǒng)功能非常有益。所提出的解決方案可以嵌入到不間斷電源系統(tǒng)或小型獨立模塊中。它可以成功地應(yīng)用于工業(yè)和安全應(yīng)用，天然氣和石油勘探通信系統(tǒng)。寬輸入電壓范圍使其非常適合汽車行業(yè)，適用于引擎蓋下和駕駛室放置的電氣系統(tǒng)。

本文的目標(biāo)是描述輸入電壓范圍為3V-3V的24.60V電源（當(dāng)輸入電源可用時）或從14.4電池組（當(dāng)輸入源不可用時）。當(dāng)輸入電壓存在時，電源會自動為電池充電，并在充電過程中限制輸入電流。

一對高電壓控制器 LTC3890 和 LTC4000 可為具有極寬工作電壓范圍的備用電池的直流電壓源提供完整的解決方案。LTC3890 的輸入電壓范圍為 4.5V 至 60V，此外，LTC4000 還可對額定電壓為 3V 至 60V 的電池充電。LTC?3890 是一款雙通道、兩相同步降壓型 DC/DC 控制器。LTC3890 的一個優(yōu)點是極低的 50μA 無負(fù)載靜態(tài)電流。低靜態(tài)電流和非常低的壓差操作 99% 占空比使得 LTC3890 在電池供電型系統(tǒng)中極具價值。該解決方案采用邏輯電平 MOSFET 可減少與柵極相關(guān)的損耗并提高整體系統(tǒng)效率。本文介紹的電路采用一個LTC3890輸出來提供固定和準(zhǔn)確的電壓，用于為客戶負(fù)載供電，并采用第二個輸出作為可變電壓源進行電池充電，電池充電在LTC4000的控制下進行。LTC?4000 是一款專為將 DC/DC 電源（通常用作電壓源）轉(zhuǎn)換為電池充電器而設(shè)計的控制器。LTC?4000 是用于電池充電和電源管理的全功能控制器。它還能夠限制系統(tǒng)輸入電流并減少輸入線路上的應(yīng)力。在某些應(yīng)用中，當(dāng)電源必須同時為電池充電和功率要求苛刻的負(fù)載提供能量時，這一點非常重要。

電路說明

圖1.電源框圖

所建議電路的框圖如圖1所示，具有寬輸入電壓范圍：從24V到60V。該電路包括以下元件：基于一個輸出 LTC3890 轉(zhuǎn)換器的高壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器 （HVDC）、基于 LTC4000 的實際電池充電器和基于其他輸出 LTC3890 轉(zhuǎn)換器的低壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器 （LVDC）。HVDC 轉(zhuǎn)換器在 10V 至 15V 的輸出電壓范圍內(nèi)提供高達 22A 的電流。電池充電器在 4.16V （Vfl） 充電電壓下提供 8A 的最大充電電流 （Ich）。LVDC設(shè)置為在選擇NL2智能鋰離子電池組 3.3V.As 備用電池上提供2044A電流。此電池組指定用于 V.MAX=16.8V， V名詞=14.4 V 和 V近路=9.6V，容量6.6Ah。

圖2.電源原理圖

詳細(xì)的電氣原理圖如圖2所示。它基于高電壓降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器 LTC3890。第一個輸出 LTC3890 由 LTC4000 控制，并被分配用于為兩個負(fù)載供電：電池充電器和 LVDC。來自 LTC4000 的控制信號優(yōu)先排序，它設(shè)定 LTC3890 第一輸出的電壓電平以確保準(zhǔn)確的電池充電。此輸出上的電壓電平不是固定的，它遵循電池充電周期。LTC3890 的第二個輸出是 LVDC，它由第一個輸出提供，并為負(fù)載提供固定的 3.3V。此輸出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。所提出的解決方案提供了源之間的無縫切換。

LTC4000 充電電路執(zhí)行以下功能：

電池的完整充電周期。此充電周期包括：

輸入二極管，用于阻止從電池到高壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的反向電流。

斷開充滿電的電池與輸入電壓源的連接。

將整個系統(tǒng)的輸入電流限制在編程值。此功能在帶有保險絲和斷路器的系統(tǒng)中非常重要。

電壓軌的名稱類似于演示電路1830A、LTC4000，后者也用于原型設(shè)計和試驗板建議電路。以下是對電氣導(dǎo)軌和動力傳動系組件功能的簡短描述：

V在+輸入電壓形式為非穩(wěn)壓原始電壓源24V-60V。

V在高壓直流輸電的輸入電壓：Q3、Q4、L1。電流檢測電阻RS1限制系統(tǒng)的輸入電流。

V外是 HVDC 的輸出，它連接到漏極 PMOS Q1，后者在 LTC4000 的 IGATE 控制下用作理想二極管。Q1 在 V 時關(guān)閉在電壓切斷，使 HVDC 與電池組斷開。

V系統(tǒng)外電源軌起源于源PMOS Q1，它在充電和LVDC期間為電池供電。

PMOS Q2 是 LTC4000 PowerPath 的一部分?控制器。LVDC 由 V 提供系統(tǒng)外導(dǎo)軌和它為終端負(fù)載提供電力，Q5，Q6，L2構(gòu)成該轉(zhuǎn)換器的動力傳動系。

共陰極二極管 D1 可保護 LTC3782 上的輸入電壓或電池偏置。

電路功能

當(dāng)施加輸入電壓時，它會激活HVDC和電池充電器。LTC3890 開始在 VOUT 軌上斜坡上升電壓。VOUT的上升由TRACK/SS2引腳上的電壓電平控制，直到該引腳上的電壓達到0.8V。此時，LTC4000 電池充電器處于活動狀態(tài)，并開始通過其自己的 ITH 引腳來控制 VOUT 和 VOUT-SYS 電平，該引腳硬連接到 LTC3890 ITH2 引腳。HVDC 輸出電壓 （以及 LTC3890 VFB2 引腳上的相應(yīng)反饋信號） 被設(shè)定得高于電池浮動 （或制造推薦的充電電壓）。這確保了在正常工作條件下，只有 LTC4000 電池充電器調(diào)節(jié)輸出，而不是 LTC3890 降壓型控制器。LTC3890 IC 在 LTC4000 的控制下控制開關(guān) NMOS Q1 和 Q2。由于 LTC3890 的電壓設(shè)置超過了 LTC4000 設(shè)定的實際 （浮動） 電壓，因此 LTC3890 的誤差放大器 （EA） 正在源出電流，試圖增加其 ITH 引腳上的電壓。

反過來，LTC4000 吸收電流，使 ITH 電壓保持調(diào)節(jié)狀態(tài)。浮動電壓由電阻分壓器 RB1、RB2 設(shè)置。

如果電池電壓降至浮點值以下，則 LTC4000 將分析電池的狀況。如果電池未短路或過度放電，則向電池提供編程的充電電流。充電電流值由電流檢測電阻 RS2 和電阻 RCL 設(shè)置。LTC4000 負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)充電電流，直到電池電壓達到浮動值。一旦電池電壓達到浮動值，LTC4000 就會從恒定電流模式切換到恒定電壓模式，從而在充電過程中提供恒定電壓。隨著充電周期的進行，充電電流值逐漸減小，見圖5。在圖2原理圖中，TMR引腳連接到BIAS節(jié)點，這意味著一旦充電電流降低到編程的C/X值，充電周期將終止。

LTC4000 還監(jiān)視輸入電流值。如果輸入電流水平超過編程值，LTC4000 將減小充電電流和電壓，從而使連接至 LVDC 的負(fù)載能夠不間斷地工作。輸入電流限值由電流檢測電阻 RS1 和 RIL（未顯示）設(shè)置。

當(dāng)充電電流降至C/X設(shè)定限值以下時，電池與充電電路斷開連接，PMOS Q2關(guān)閉。此時，LTC4000 調(diào)節(jié)高于浮動值的輸出電壓，以確保 Q2 的體二極管被反向偏置，并且電流不會從電池流向負(fù)載。

電路描述和設(shè)置兩個控制器

本文中用于充放電的電池為NL2044HD22。這是一個鋰離子電池組，結(jié)合了十二個18650尺寸的電池，組裝成（4S3P）配置。電池制造商建議 16.8V ± 50mV 充電電壓和 4A 最大充電電流。

設(shè)置 LTC4000

電池浮動電壓設(shè)置，BFB 引腳。注意：FBG引腳是連接到BFB和OFB引腳的電阻分壓器的接地回路引腳。假設(shè)RB1為499k，則RB2計算為36.5k，以提供16.8V的浮動電壓。電池輸出電壓設(shè)置，OFB 引腳。通過分別選擇 RO18 和 RO1 為 2k 和 499.35k，將此電壓設(shè)置為 7V。

電阻 RS1，引腳 CSP 和 CSN，選擇 12 mΩ，將充電電流限值設(shè)置為 4.1A。

電阻RCL設(shè)置為19.1k，它將電池充電電流設(shè)置為4.0A。

電阻RS2、引腳輸入和CLN，選擇為5 mΩ，將輸入電流限值設(shè)置為10.0A。

電阻 RCX 選擇為 21.0k。它通過使用 LTC0 產(chǎn)品手冊中的相應(yīng)公式來編程將終止電流充電至 4.4000A。

引腳IL保持開路，其最大電壓為50 mV，可用于檢測輸入電流。

Q30 和 Q7135 選擇相同的 1V Si2DP PMOS。

設(shè)置 LTC3890

LTC3890控制器有四種不同的版本（LTC3890、-1、-2和-3），LTC3890-3數(shù)據(jù)手冊表1描述了版本之間的差異。在此解決方案中，選擇了 LTC3890-3 控制器：在發(fā)生過壓時，它不會永久接通底部 MOSFET，這在電池供電型應(yīng)用中非常重要。但是，如果需要特定功能且很重要，則可以使用四個 LTC3890 版本中的任何一個。

LTC3890 的 OUT2（“電池輸入”總線）由分壓器 RF1、RF2 設(shè)定至 22V，但是，如上所述，實際輸出電壓永遠不會爬升那么高。開關(guān)頻率通過選擇 37.4k 電阻器設(shè)置為 200kHz。電阻分壓器 RO1 和 RO2 將 VOUT1 設(shè)置為 3.3V

對于動力傳動系組件的選擇，可以使用LTC3890-3數(shù)據(jù)表，以及LTspice和LTpowerCAD仿真和設(shè)計工具。

高壓直流輸電功率預(yù)算和變流器組件選擇

高壓直流電 （PHVDC） 的功率預(yù)算結(jié)合了為電池 PBAT 充電所需的功率和低壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器、PLVDC、Vload、Iload 的功率。LVDC向負(fù)載輸送的功率由標(biāo)稱電池電壓Vnom定義。假設(shè)該電壓將在最大電流和負(fù)載下存在

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

其中 ηl 和 ηh 是 LVDC 和 HVDC 轉(zhuǎn)換器的效率

電路性能

圖3.輸入源切換， 0.5V/格
通道 4， 紅色電池電流
通道 3， 紫色， 輸入電壓 通道 2， 綠色， 負(fù)載電壓
3.3V （2A）

圖3顯示了從輸入電壓到電池的負(fù)載電源的無縫切換。通道4（紅色跡線）顯示電池電流。當(dāng)輸入電壓存在時，在充電過程中，電池正在吸收電流。一旦輸入電壓斷開，電池就會提供電流（放電）。LVDC的輸出，通道2（綠色走線），不改變電路，無論電源如何，都能安全地為負(fù)載提供3.3V/2.0A。

菲爾古雷 4.電源效率與輸入電壓的關(guān)系，Ich 4.0A，對流風(fēng)冷

效率曲線如圖4所示。測量是在4.0A的恒定充電電流和16.8V的恒定浮動電壓下進行的，對流空氣冷卻（無強制氣流）。該充電器在97%的面積上表現(xiàn)出非常高的效率。

圖5.電源充電電壓和電流與時間的關(guān)系

充電過程中的充電電流和電池電壓變化如圖5所示。

結(jié)論

LTC?3890 和 LTC4000 是一款高度集成、高電壓、高性能控制器?？梢曰谶@兩種設(shè)備設(shè)計帶備用電池的多功能電源。本文提供了該電源的框圖、詳細(xì)的電氣原理圖和計算指南。

LTC?3890-3 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)動所有 N 溝道同步功率 MOSFET 級。恒定頻率電流模式架構(gòu)允許高達 850kHz 的可鎖相頻率。通過異相操作兩個控制器輸出級，可將功率損耗和電源噪聲降至最低。50μA 的空載靜態(tài)電流延長了電池供電型系統(tǒng)的使用壽命。OPTI-LOOP 補償允許在很寬的輸出電容和 ESR 值范圍內(nèi)優(yōu)化瞬態(tài)響應(yīng)。4V 至 60V 的寬輸入電源范圍包括各種中間總線電壓和電池化學(xué)組成。每個控制器的獨立 TRACK/SS 引腳在啟動期間使輸出電壓斜坡上升。電流模式控制限制短路條件下的電感電流。PLLIN/MODE 引腳在輕負(fù)載時可選擇突發(fā)模式操作、脈沖跳躍模式或連續(xù)導(dǎo)通模式。有關(guān)具有不同和/或附加功能的版本，請參見LTC3890數(shù)據(jù)手冊表1。

LTC?4000 是一款高電壓、高性能控制器，可將許多外部補償型 DC/DC 電源轉(zhuǎn)換為全功能電池充電器。LTC4000 的電池充電器的特性包括：準(zhǔn)確的 （±0.25%） 可編程浮動電壓、可選的定時器或電流終止、采用一個 NTC 熱敏電阻進行符合溫度要求的充電、自動再充電、用于深度放電電池的 C/10 涓流充電、不良電池檢測和狀態(tài)指示器輸出。電池充電器還包括精密電流檢測功能，可為高電流應(yīng)用提供較低的檢測電壓。LTC4000 支持智能 PowerPath 控制。一個外部 PFET 提供低損耗反向電流保護。另一個外部PFET提供電池的低損耗充電或放電。第二個PFET還具有即時啟動功能，即使連接到嚴(yán)重放電或短路故障的電池，也能提供即時下游系統(tǒng)電源。

審核編輯：郭婷