手持式產(chǎn)品設(shè)計師爭先恐后地在外形日趨小巧的設(shè)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(lán)牙、 GPS、照相機(jī)、手機(jī)、觸摸屏、電影播放器、音樂播放器和收音機(jī)等等，只不過是當(dāng)今電池供電型便攜式設(shè)備眾多常見功能當(dāng)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(chǎn)品在使用過程中必須保持“低溫”狀態(tài)。在手持式設(shè)備中，最大限度地降低散逸熱是需要優(yōu)先考慮的因素，而電池充電器是一個重要的發(fā)熱源。

　　多年來，手持式設(shè)備的一個組件幾乎一成不變，那就是鋰離子電池。盡管當(dāng)今電池的容量已經(jīng)從幾百毫安時 （mAh） 增加至幾安時 （Ah），以適應(yīng)現(xiàn)代便攜式產(chǎn)品不斷擴(kuò)充的功能組，但基本的鋰離子電池技術(shù)卻并未發(fā)生什么變化。鋰離子電池為什么能夠經(jīng)久不衰？無可比擬的能量密度 （無論是從質(zhì)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(yīng)、無電池反向、無電池平衡以及對環(huán)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(chǎn)品的優(yōu)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(nèi)完成其充電，應(yīng)當(dāng)以一個與其容量相稱的速率、并采用一種特殊的算法來執(zhí)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(dǎo)致充電時間延長一倍 （達(dá)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(chǎn)生額外的熱損耗。由于這些設(shè)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(dāng)大。假設(shè)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(dāng)長的時間，那么使用線性充電元件時的效率最高可達(dá)3.7V/5V （即74%）。當(dāng)電池電壓低于3.7V時，功率損耗的情況將更加嚴(yán)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(yōu)于84%。

　　對于一個采用“1C”速率進(jìn)行充電的1Ah電池，我們可以預(yù)計：當(dāng)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(dá)1.3W左右。然而，需要注意的是，當(dāng)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(fā)熱源是由充電器自身所產(chǎn)生的。牢記這一點后，在某種給定的功率級上改用開關(guān)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(fā)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(jié)鋰離子電池充電器產(chǎn)品實例，它們不僅提供了開關(guān)電池充電器的高效率，而且還采用了PowerPath技術(shù)。PowerPath控制是一種運用第三個節(jié)點 （即：中間節(jié)點） 的方法，旨在實現(xiàn)“即時接通型”操作 （當(dāng)電池電壓低于系統(tǒng)切斷電壓時，能夠向系統(tǒng)供電）。只有像LTC4088和LTC4098這樣的產(chǎn)品運用一種獨特的方式將降壓型DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器與線性電池充電器組合起來，從而確保了至系統(tǒng)負(fù)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(guān)PowerPath管理器/電池充電器來縮短電池充電時間并使手持式設(shè)備在工作時保持低溫狀態(tài)

　　傳統(tǒng)方法：線性PowerPath

　　中間節(jié)點拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并不是新東西。圖2給出了線性PowerPath拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一個例子。在該架構(gòu)中，一個電流限制開關(guān)從一個輸入連接器向外部負(fù)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(jié)點向電池供電。

　　圖2：具重大固有效率局限性的傳統(tǒng)線性PowerPath方框圖

　　如果負(fù)載電流遠(yuǎn)低于輸入電流限值 （以允許把一些電流轉(zhuǎn)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(shè)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(chǎn)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(fù)載的功率能夠及時有效地到達(dá)，而送往電池的功率則無法及時有效地到達(dá)。

　　現(xiàn)在我們來看另一種情形，就是負(fù)載電流超過了輸入限流設(shè)定值。此時，輸入限流控制電路開始起作用，而且中間節(jié)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(fù)載電流擁有高于充電電流的優(yōu)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(xiàn)在可能約為3.5V）。

　　從這些例子我們可以看到：雖然線性PowerPath拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能在所有條件下執(zhí)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(dāng)采用線性PowerPath拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時，在不同的條件下，兩個線性傳輸元件當(dāng)中的這個或那個很可能會消耗功率。在下一節(jié)中，我們將了解開關(guān)PowerPath是如何克服線性PowerPath的缺點。

　　新興方法：運用開關(guān)PowerPath來實現(xiàn)高效率

　　圖3示出了線性PowerPath的一種替代方案，即：開關(guān)PowerPath。這里，一個降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器把功率從輸入連接器輸送至中間節(jié)點 VOUT。一個線性電池充電器被連接在中間節(jié)點和電池之間，這一點和線性PowerPath是一樣的。開關(guān)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(guān)），因為它是一條開關(guān)路徑，而非線性路徑。

　　圖3：開關(guān)PowerPath方框圖。與線性PowerPath相比，開關(guān)PowerPath方案的一個重要優(yōu)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(guān)）

　　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(guān)穩(wěn)壓器而實現(xiàn)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(guān)穩(wěn)壓器的輸出電壓設(shè)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(wù)托付給了開關(guān)穩(wěn)壓器，而只負(fù)責(zé)控制充電電流、浮動電壓和電源安全監(jiān)視 —— 這些都是它的強(qiáng)項。