手持式產品設計師爭先恐后地在外形日趨小巧的設備之中集成盡可能多的“時尚”功能。屏幕大而明亮的彩色顯示器、Wi-Fi、WiMax、藍牙、 GPS、照相機、手機、觸摸屏、電影播放器、音樂播放器和收音機等等，只不過是當今電池供電型便攜式設備眾多常見功能當中的一小部分。在這么狹小的空間里集成如此之多的功能所面臨的一大問題是：這種“時尚”產品在使用過程中必須保持“低溫”狀態。在手持式設備中，最大限度地降低散逸熱是需要優先考慮的因素，而電池充電器是一個重要的發熱源。

　　多年來，手持式設備的一個組件幾乎一成不變，那就是鋰離子電池。盡管當今電池的容量已經從幾百毫安時 （mAh） 增加至幾安時 （Ah），以適應現代便攜式產品不斷擴充的功能組，但基本的鋰離子電池技術卻并未發生什么變化。鋰離子電池為什么能夠經久不衰？無可比擬的能量密度 （無論是從質量還是體積來衡量都是如此）、高電壓、低自放電、寬可用溫度范圍、無記憶效應、無電池反向、無電池平衡以及對環境的輕微影響等，所有這些使得鋰離子電池成為高性能便攜式產品的優選電源。

　　然而，給如今的大型電池充電卻絕非小事一樁。為了能夠在合理的時間內完成其充電，應當以一個與其容量相稱的速率、并采用一種特殊的算法來執行充電操作。例如：若想在大約一個小時的時間里完成一個1Ah電池的滿充電，則需1A的充電電流。如果希望采用USB供電型充電，那么將只有500mA的可用電流，從而導致充電時間延長一倍 （達2小時）。

　　采用較高充電電流的另一個問題是會在充電過程中產生額外的熱損耗。由于這些設備的充電功率通常取自一個5V電源 （例如：一個USB端口或5V墻上適配器），因此，功率損耗會相當大。假設一個狀況良好的鋰離子電池于充電過程中在其3.7V的“理想電壓”條件下度過了相當長的時間，那么使用線性充電元件時的效率最高可達3.7V/5V （即74%）。當電池電壓低于3.7V時，功率損耗的情況將更加嚴重。即使在4.2V的最大浮動電壓條件下 （此時，電池度過了大約1/3的充電時間），充電效率也不可能優于84%。

　　對于一個采用“1C”速率進行充電的1Ah電池，我們可以預計：當在充電周期的最長時段中向電池輸送3.7W功率時，損失的功率將達1.3W左右。然而，需要注意的是，當電池把能量儲存起來以備日后使用的時候，輸送至電池的能量并未引起任何顯著的溫升。這就意味著：充電過程中的主要發熱源是由充電器自身所產生的。牢記這一點后，在某種給定的功率級上改用開關電池充電器將具有實際意義，這可改善充電效率、減少充電器發熱量并縮短充電時間。

　　LTC4088和LTC4098都是由凌力爾特公司推出的單節鋰離子電池充電器產品實例，它們不僅提供了開關電池充電器的高效率，而且還采用了PowerPath技術。PowerPath控制是一種運用第三個節點 （即：中間節點） 的方法，旨在實現“即時接通型”操作 （當電池電壓低于系統切斷電壓時，能夠向系統供電）。只有像LTC4088和LTC4098這樣的產品運用一種獨特的方式將降壓型DC/DC開關穩壓器與線性電池充電器組合起來，從而確保了至系統負載和電池的高效功率輸送。在深入研究這些器件之前，我們先了解一下過去的做法。

　　圖1：采用一種開關PowerPath管理器/電池充電器來縮短電池充電時間并使手持式設備在工作時保持低溫狀態

　　傳統方法：線性PowerPath

　　中間節點拓撲結構并不是新東西。圖2給出了線性PowerPath拓撲結構的一個例子。在該架構中，一個電流限制開關從一個輸入連接器向外部負載和線性電池充電器輸送功率。線性電池充電器隨后從中間節點向電池供電。

　　圖2：具重大固有效率局限性的傳統線性PowerPath方框圖

　　如果負載電流遠低于輸入電流限值 （以允許把一些電流轉用于電池充電），則VOUT上的電壓將幾乎等于輸入電源電壓 （我們假設它為5V）。在這種場合中，從VIN至VOUT的路徑具有極高的效率，原因是在傳輸元件的兩端上沒有產生顯著的電壓降。不過，需要指出的是：VOUT （約5V） 和VBAT （比如：3.5V） 之間的電壓降意味著線性充電器的運行效率偏低。因此，送往負載的功率能夠及時有效地到達，而送往電池的功率則無法及時有效地到達。

　　現在我們來看另一種情形，就是負載電流超過了輸入限流設定值。此時，輸入限流控制電路開始起作用，而且中間節點 （VOUT） 上的電壓下降至剛好低于電池電壓，從而使電池成為提供額外電流的一個電源。雖然這是一種期望的工作特性 （可確保負載電流擁有高于充電電流的優先級），但請注意：此時傳輸元件的效率不高，因為在輸入引腳 （同樣是5V） 和輸出引腳之間確實存在一個很大的電壓差 （現在可能約為3.5V）。

　　從這些例子我們可以看到：雖然線性PowerPath拓撲結構能在所有條件下執行必需的PowerPath控制功能，但是，它存在著某些固有的低效率缺陷。確切地說，當采用線性PowerPath拓撲結構時，在不同的條件下，兩個線性傳輸元件當中的這個或那個很可能會消耗功率。在下一節中，我們將了解開關PowerPath是如何克服線性PowerPath的缺點。

　　新興方法：運用開關PowerPath來實現高效率

　　圖3示出了線性PowerPath的一種替代方案，即：開關PowerPath。這里，一個降壓型DC/DC轉換器把功率從輸入連接器輸送至中間節點 VOUT。一個線性電池充電器被連接在中間節點和電池之間，這一點和線性PowerPath是一樣的。開關PowerPath與線性PowerPath的顯著差異是：從VIN至VOUT的路徑保持了較高的效率 （這與電壓差無關），因為它是一條開關路徑，而非線性路徑。

　　圖3：開關PowerPath方框圖。與線性PowerPath相比，開關PowerPath方案的一個重要優勢是：從VIN至VOUT的路徑保持了較高的效率 （這與VIN/VBAT之比無關）

　　那么，作為總效率的另一個重要組成部分，線性電池充電路徑的效率又如何呢？VOUT和電池之間的電壓降將使通過采用開關穩壓器而實現的效率提升喪失殆盡。由于擁有一種被稱為Bat-TrackTM的功能，因此，采用LTC4088和LTC4098時的總效率保持在很高的水平上。利用Bat-Track功能，可將開關穩壓器的輸出電壓設置成跟蹤電池電壓 + 幾百mV的壓差。由于輸出電壓絕不會明顯高于電池電壓，因此線性電池充電器所消耗的功率一直極少。電池充電器傳輸元件把大部分電壓控制任務托付給了開關穩壓器，而只負責控制充電電流、浮動電壓和電源安全監視 —— 這些都是它的強項。

　　基于USB的恒定功率充電

　　目前，許多便攜式產品的一個重要特點是具備了從一個USB端口進行充電的便利。LTC4088和LTC4098具有一個獨特的控制系統，該系統使得它們能夠限制其輸入電流消耗 （以適應那些符合USB規格的應用），并最大限度地增加可提供給負載和電池充電的功率。這兩款器件不僅具有低 （100mA） 和高 （500mA） 功率USB設定值，而且還支持一個較高的1A功率設定值，以滿足墻上適配器應用的需要。

　　對于那些采用大型電池的產品，USB電流控制會成為決定輸送多少功率至電池 （用于充電） 的限制因素。當采用線性PowerPath拓撲結構時，輸入和輸出被限流 —— 負載電流與電池充電電流之和不能超過輸入電流。在該場合中，開關PowerPath明顯優于線性PowerPath。在開關PowerPath拓撲結構中，輸入仍然被限流，但這僅僅限制了至負載和充電器的可用功率。這是一個很重要的區別。圖4給出了一個實例，它說明了LTC4088是如何實現高達40% 的充電電流增幅 （相比于線性PowerPath設計）。

　　圖4：輸入功率受限時的充電電流

　　請注意，盡管USB電流被限制為500mA，但是，由于開關PowerPath系統具有高效率，因此充電電流可以高于500mA。于是，較高的效率不僅產生的熱量極少，而且還縮短了充電時間。

　　與采用輸出電流受控型拓撲結構 （旨在保持與USB規格的相符性） 的器件相比，LTC4088和LTC4098的輸入電流受限型拓撲結構具有一項重要的優勢。這是因為隨著電池電壓在整個充電周期中的上升，電池所消耗的有效功率也將增加 （假設電流是恒定的）。為了在輸出電流受控型系統中保持與USB規格的符合性 （假設具有理想的效率），將不得不把電池充電電流限制至其功率限制值 （在最高電池電壓條件下）。

　　例如：如欲在4.2V的電池電壓條件下保持低于2.5W （5VIN?500mA） 的功率輸送，則充電電流一定不得超過595mA。當電池電壓很低時 （比如：3.4V），該電流限值過于保守，此時將能夠輸送735mA的電流，而不會違犯USB規格。專為實現與USB規格的相符性而設計的輸入電流受限型器件 （例如：LTC4088和LTC4098） 使充電器能夠使用該額外的可用電流。與此相反，專為與USB規格相符而設計的輸出電流調整型開關充電器則必須被設置成把電池充電電流限制為高電壓場合時的數值 （595mA），因而在低電池電壓條件下將其切斷。換句話說，輸入電流受限型開關充電器始終在容許的范圍內盡可能多地從輸入電源吸取功率，而輸出電流受控型開關充電器則并非如此。

　　即時接通 （低電池電量系統起動）

　　圖5示出了開關PowerPath拓撲結構的“即時接通”功能。當電池電壓非常低且系統負載未超過可用編程功率時，輸出電壓將被保持在3.6V左右。這可以防止系統不得不等待電池電壓上升之后才能接通設備 —— 對于最終用戶而言，這種被迫等待的情形是令人沮喪的。

　　圖5：VOUT與BAT的關系曲線

　　這是備有一個去耦輸出節點和電池節點 （即：三端拓撲結構） 的主要原因。在低功率模式中，該功能電路可被用于給系統供電。例如：它可能恰好提供了足以執行起動操作的功率，并向用戶發出“系統正在進行充電”的指示信號。

　　自動負載優先級處理

　　在 VOUT條件下輸送至系統的電流和電池充電電流一起，在開關穩壓器上形成了一個組合負載。如果該組合負載未超過由輸入電流限制電路所設置的功率級，則開關 PowerPath拓撲結構將能夠恰當地提供充電電流和負載電流，不會發生任何問題。然而，如果總負載超過了可用功率，則電池充電器將自動放棄其部分或全部功率份額，以支持額外的負載。就是說：系統負載始終是優先的，而電池充電則只是伺機而行。這種算法為系統負載提供了不間斷的電源。即使單單系統負載便超過了輸入限制電路可提供的功率，輸入電流仍然不會超過其編程限值。相反，電池充電器將完全關斷，而且額外的功率將通過理想二極管從電池吸取。

　　當理想二極管開始起作用時，從電池至輸出引腳的傳導路徑大約為180mΩ。如果這對于應用而言已經足夠的話，則無需外部元件。然而，如果需要更大的電導，則可使用一個外部MOSFET，以對內部理想二極管提供補充。LTC4088和LTC4098均具有一個控制引腳，用于驅動可任選的外部晶體管的柵極。可以采用具30mΩ或更低電阻的晶體管，旨在起到補充內部理想二極管的作用。

　　全功能電池充電器

　　LTC4088和LTC4098都包括一個全功能電池充電器。這種電池充電器具有可編程充電電流、電池預查驗 （失效電池檢測和充電終止）、CC-CV （恒定電流-恒定電壓） 充電、C/10充電結束檢測、安全定時器終止、自動再充電和一個熱敏電阻信號調理器 （用于實現適宜溫度充電）。

　　LTC4098的改進之處

　　LTC4098擁有幾項LTC4088所不具備的功能。首先，它支持對一個外部高電壓開關穩壓器進行控制的能力 （旨在從諸如汽車電池等第二輸入電源來接收功率）。LTC4098還包括一個獨立的過壓保護模塊，該模塊能夠與一個外部MOSFET一起提供針對低電壓 （USB/WALL） 輸入的重要輸入保護功能。

　　高電壓輸入控制器

　　當存在第二個輸入電源時，LTC4098的外部輸入控制電路能夠加以識別，并在該輸入和USB/WALL輸入被同時供電的情況下對其進行優先處理。此外，LTC4098還可與凌力爾特的許多高電壓降壓型開關穩壓器相連，以便于采用較高電壓輸入 （比如：汽車電池）。運用上文所述的Bat-Track方法，輔助輸入控制器命令高電壓穩壓器在VOUT上產生一個電壓，該電壓將跟蹤剛好高于電池電壓的電壓值。同樣，這種方法實現了很高的充電效率，即使在從一個相當高的電壓來充電的時候也不例外。

　　過壓保護

　　LTC4098包括一個過壓保護控制器，可用于保護低電壓USB/WALL輸入免遭無意施加的高電壓或來自一個故障墻上適配器的損壞。該電路負責控制一個外部高電壓N型MOSFET的柵極。通過采用一個外部晶體管 （用于實現高電壓截止），保護等級將不限于LTC4098的工藝參數。相反，外部晶體管的規范將決定所提供的保護等級。

　　結論

　　LTC4088和LTC4098是電源管理和電池充電領域中新產品的典型代表。通過把恒定輸入功率限制與一個高效率開關穩壓器和Bat-Track電池充電電路組合起來，這兩款器件均優化了功率輸送。其他的好處包括：即時接通型系統起動、自動負載優先級處理以及無與倫比的充電效率。憑借一個用于較高輸入電壓 （例如：汽車電池） 的輔助輸入控制器和一個過壓保護控制器，LTC4098較之LTC4088在功能上得到了進一步的增強。