引言
便携式电子设备需求的不断增长推动了高效便携式电源管理系统的发展。便携式充电器已成为不可或缺的配件，为智能手机、平板电脑和其他USB供电设备提供可靠的备用电源。我们首先利用评估演示板创建了一个模块化便携式电池充电器解决方案作为概念验证。该原型由多个演示板堆叠而成，随后发展成为性能更优、功能更强大的单板解决方案。该解决方案可接受多种输入电源，例如电池、太阳能或直流适配器，并智能管理电源流，从而在为电池充电的同时为负载供电。
本文旨在探讨ADI公司集成电路在紧凑设计中实现智能电源路径管理的能力，同时确保性能不受影响。文章将介绍单板解决方案的设计考虑因素、概念和性能评估，并重点阐述其相对于多板概念验证方案的改进之处。

模块设计：
本布局设计采用紧凑且优化的架构，支持两种宽范围输入电压，分别来自太阳能电池板和AC-DC适配器。电源输入由LTC4416电源路径控制器和LTC4162电源路径降压充电器进行智能管理。该配置可高效地为各种锂离子电池充电，最高支持4串1并配置。

图 1. 单板设计模块。.

如图 1 所示，该系统采用升降压开关稳压器 LTC3115-1，动态调节输出电压至负载，确保恒定最大输出为 5 V 和 2 A，而 LTC4162 则监测电池充电水平。

元器件选择与布局设计：
三个主要元器件基于设计模块配置优化系统性能。选择这些元器件旨在提高系统效率、降低功耗、缩小电路板尺寸并降低总体成本。其原理图设计如图2所示。

图 2. 单板设计示意图。.

1. 使用 LTC4416 的双输入电源：
使用二极管的简单 OR 门结构可用于在两个输入电源之间切换。然而，即使使用低压差肖特基二极管，由于二极管固有的正向压降，这种方法也会引入显著的功率损耗。LTC4416 可实现两个电源之间的无缝切换，且正向压降极低，从而降低功率损耗。通过控制外部 P 沟道 MOSFET 来模拟理想二极管，该器件显著降低了导通损耗，从而提高了系统的整体效率和可靠性。LTC4416
具有六种不同的工作模式。每种工作模式取决于输入引脚 E1 和 E2 的配置，如数据手册所示。在此配置中，所选模式为：V1 大于 V2，其中 E1 设置为 Sense，E2 设置为 0。这意味着芯片优先使用电源 V1。在此工作模式下，IC 配置为优先使用 V1，输入电压范围为 15V 至 35V 直流，而辅助电压源 V2 为太阳能电池板（3.6V 至 15V）。当 V1 大于或等于 15V 时，由于 V1 高于 V2，E1 使 V1 成为主电压源并禁用 V2。
当 V1 降至 13.4V 时，V2 成为主电源，V1 与输出断开。只要太阳能电池板电压在 3.6V 至 15V 之间，V2 就会持续为输出负载供电，直到 V1 恢复正常。V1 的复位点设置为 15V，如图 2 所示。
可以通过更改图 2 中电阻 R1、R2 和 R3 的值来修改 V1 的故障点和复位点。这可以通过数据手册中所示的公式来实现：

一旦确定了 V1，即可选择 V2 以确保最佳配置。如果 V1 发生故障或不可用，系统会自动切换到 V2 以维持供电，直到达到恢复点（前提是 V1 > V2）。由于电源输出会跟随最高电压源，因此如果 V2 > V1，则不会进行恢复。.

2. 智能电源路径管理。
在便携式充电器和其他需要同时使用电池和充电的应用中，采用电源路径充电是一种理想的解决方案。这种方法通过高效管理系统和电池之间的功率分配，有助于优化电池性能并延长其整体使用寿命。系统通过从三个电源中进行选择来智能管理电源输入：AC-DC适配器、太阳能电池板或电池。AC-DC适配器或太阳能电池板主要用于为电池充电。
如果AC-DC适配器发生故障且太阳能电池板电压降至最低值以下，系统会自动切换到已充电的备用电池为负载供电。LTC4416电源路径的输出为LTC4162-L供电，后者支持最高35V的输入电压。LTC4162
-L即使在电池电量耗尽或缺失的情况下也能立即运行，并且具有集成的最大功率点跟踪（MPPT）系统，可提高太阳能转换效率。
在强烈的阳光照射下，太阳能电池板在两个区域工作：恒压低阻抗区和恒流高阻抗区。这种行为确保器件的控制回路在低阻抗（例如，高电压区域）下运行时保持稳定。然而，由于集成电路使用输入电压来寻找最大功率点跟踪器 (MPPT)，太阳能电池板电压会因高阻抗（例如，低电压区域）而下降，从而导致控制回路不稳定。在该设计中，太阳能电池板输入工作在高阻抗（

3. 备用锂离子电池
LTC4162 电池充电器支持最多八节串联锂离子电池 (8S) 的配置，并提供多种针对不同电池化学体系优化的型号：LTC4162-L 用于锂离子电池， LTC4162-F 用于磷酸铁锂 (LiFePO4) 电池， LTC4162-S 用于铅酸电池。在本设计中，我们实现了对最多 4S（1S 至 4S 电源）堆叠式锂离子电池配置的兼容性，如表 1 所示。

表 1. 电池配置设置

此配置使用 CELLS1 和 CELLS0 引脚定义，遵循表 1 中提供的分配准则。.

4. 开关稳压器
LTC4162-L 的输出随后由同步升降压开关稳压器进行稳压。LTC3115-1 是一款高效单片同步升降压 DC-DC 转换器，专为需要宽输入电压范围和低噪声的应用而设计。其工作电压范围为 2.7 V 至 40 V，可提供高达 2 A 的直流电流。该开关稳压器还具有可编程输出电压、升降压模式之间的平滑转换以及强大的保护功能，使其适用于工业和电池供电应用。
选择它用于此设计的原因在于其卓越的效率和静音运行。当输入电压超过 6 V 时，该转换器可提供高达 2 A 的电流；当电压高于 3.6 V 时，可提供 1 A 的电流，使其能够很好地适应不同的电源条件。对于所有电池配置（1S、2S、3S、4S），均通过连接器配置了欠压锁定 (UVLO) 功能，如图 2 所示（连接器 J5）。

5. USB Type-C 输出
该输出端口配置为 USB Type-C 接口，不支持 PD 快充模式，可为任何需要 5V 稳压输出、电流最高可达 2A 的便携式设备充电。表 2 列出了 USB 端口不同电流源的电阻值选择。

表 2. 无 PD 模式下 USB Type-C 提供的电流

单板性能：
如图 3 所示，该电路板采用四层 PCB 设计，以确保稳定、无噪声且高效的运行。布局采用 SIG/电源 – GND – GND – SIG/电源堆叠结构，所有元件的放置均遵循数据手册中的建议。电路板通过 V1 和 V2 两个输入端供电，分别用于电池充电和负载供电。如果主电源发生故障，太阳能电池板会在日照强度较高时接管供电，为负载供电并同时为电池充电。在夜间或日照强度较低、太阳能电池板电压下降时，系统会自动检测到电压变化并切换到电池供电，以维持负载运行。

图 3. 单板解决方案运行和测试。.

图 4. 瞬态和阶跃响应分析。
假设采用 1S 电池配置，当电池电压降至 3.3 V 以下时，LTC3115-1 将自动关机，并通过激活欠压锁定 (UVLO) 功能来保护电池。此机制有助于防止深度放电，从而避免损坏电池或缩短其使用寿命。可以通过更改电阻 R7、R19、R27 和 R21 的值，针对每种电池配置精确调整 UVLO 阈值。这可以通过 LTC3115-1 数据手册中的 UVLO 公式来实现。根据应用需求，最低电压限制可以设置为低至 3.0 V。
为了防止电池接反，电路采用了二极管 (D3) 和保险丝 (FUSE1) 实现反极性保护。此外，输入端还通过 MOSFET Q1、Q4 和 Q3 的体二极管进行反向电压保护，这些体二极管起到阻止意外电流流动的作用。
图 4 展示了系统在不同负载条件下的动态行为，包括阶跃响应和瞬态响应特性，这体现了控制回路的性能以及所应用补偿网络在各种工作条件下的有效性。图 5 展示了 LTC4416 输出的优先级切换行为，其中 V1 从较高电压降至 15 V。器件输出在 8 V 时无缝切换至 V2，确保输出负载 ee 不受电压变化的影响。同时，V1 的复位点设置为 16.8 V。

图 5. LTC4416 在恒定输出负载电压下从 V1 (15 V) 切换到 V2 (8 V)（固定 VOUT = 5 V；负载电流 = 1 A，R1 = 281 kΩ 和 R3 = 24.9 kΩ）。.

堆叠式演示板与单板方案的比较
本节对原型多演示板配置和新开发的单板方案进行了全面比较。原型设计采用了三个独立的演示板：LTC4416 用于理想二极管功率路径控制，LTC4162-L 用于电池充电和电源管理，以及CN0509 USB 充电器板。CN0509 的显著特点是其 5V 至 100V 的宽输入电压范围以及提供高达 2A 的 5V 稳压输出的能力。它结合了LTC7103降压转换器和LT8302隔离式反激转换器，从而实现了输入和输出之间的电气隔离。

图 6. 原型堆叠演示板与单板的尺寸对比。.

相反，单板设计通过用单个元件 LTC3115-1 取代 LTC7103 和 LT8302 来整合这些功能。此举旨在提升系统整体性能，提高效率，缩小物理尺寸，并降低物料成本。虽然牺牲了一些功能，例如隔离输出，但这种权衡带来了更精简、更实用的设计，非常适合可扩展的应用。.

物理电路板尺寸
：如图 6 所示，采用单板解决方案可显著优化整体系统设计，物料清单 (BOM) 减少约 30%，电路板尺寸也相应减小。
此外，单板解决方案的紧凑特性有助于构建更高效的电源系统架构。通过将多种功能集成到统一平台上，设计更加节省空间，从而在不影响性能的前提下实现更小的尺寸。这对于空间受限的应用（例如便携式电子设备）尤为有利。

效率：
该电路板最显著的改进之一是其高效的供电能力。优化的供电方式降低了能量损耗，从而延长了运行时间并改善了散热性能。高效率对于电池供电设备至关重要，因为节能直接转化为更长的电池寿命。通过最大限度地减少能量浪费并最大限度地利用能量，单板解决方案在提升系统性能方面发挥着关键作用。图 7 显示，该单板解决方案在 8V 输入电压下实现了 92.94% 的最高效率，在 10V 输入电压下实现了 91% 的最高效率。相比之下，原型堆叠式演示板在 10V 输入电压下仅实现了 73.79% 的最高效率。原型堆叠式演示板效率低下显然是由于连接多个电路板的导线以及反激式转换器部分的损耗造成的。
当两个输入电源都失效时，电池会自动为负载供电。采用标称电压为 7.4 V 的 2S 电池配置，单板解决方案实现了 94.52% 的最高效率，而原型堆叠式演示板的效率为 77.12%。这表明，如图 7 所示，单板设计在系统运行期间能更有效地节省电池能量。优化后的单板解决方案在 6 V 输入电压下可实现 2 A 的最大输出电流，而之前的原型板则需要在 12 V 输入电压下才能实现 2 A 的最大电流，如图 7 所示。

图 7. 输出电流调节和效率（单板与原型堆叠演示板）。.

结论：
我们利用ADI元件开发了一种紧凑型集成单板移动电源解决方案。该优化设计采用优化布局，提高了整体效率并缩小了物理尺寸。其架构通用且适应性强，适用于各种电池供电设备应用。它支持智能电源路径管理，可延长电池寿命。
LTC4020等ADI高功率产品。

参考文献：
Diarmuid, Carey.“如何在不构建任何特定硬件的情况下创建便携式电池充电器原型。”《模拟对话》，2023 年 2 月。

关于作者

Uchechukwu Maduagwu博士是都柏林中央应用团队的应用工程师。他于 2023 年加入 Analog Devices，负责为能源管理产品组合提供设计支持，服务于整个欧洲市场的客户。Uchechukwu 博士拥有多个学位。