智慧行動電源：整合太陽能光伏、直流輸入和鋰離子電池備援系統

作者：ADI 應用工程師 Uchechukwu Maduagwu

摘要

本文介紹一種採用ADI產品設計的智慧行動電源充電器，具有設定彈性的特性，能夠接受多種輸入電源，並在智慧管理電池充電的同時為負載供電。此款新設計將關鍵功能整合到精巧的外型中，使之更適合商業應用，同時保持穩健的性能並擁有智慧電源管理系統。

引言

隨著可攜式電子產品需求的持續增加，開發更高效、更輕便的電源管理系統已成為產業剛需。行動電源已成為現代生活中不可或缺的配件，為智慧型手機、平板電腦和其他USB供電裝置提供可靠的備用電源。我們首先使用評估展示板創建了一種模組化行動電源充電解決方案，用於概念驗證。該原型透過多塊展示板堆疊組裝而成。隨後，設計演進為單板解決方案，在性能方面得到增強並完成了多項改進。該解決方案接受多種輸入源，例如電池、太陽能或直流電源轉接器，並能智慧管理功率流，在為電池充電的同時為負載供電。

本文目的在探討ADI的IC如何在精巧設計中保持卓越性能，實現智慧電源路徑管理。文章概述單板解決方案的設計考量、概念和性能評估，並著重介紹單板相較於多板概念驗證的改進。

設計模組佈局

在此佈局設計中，我們開發了一種精巧且簡化的架構，以支援兩種寬廣範圍輸入電壓：來自太陽能電池板的電壓和來自AC轉DC電源轉換器的電壓。電源輸入透過LTC4416電源路徑控制器和 LTC4162-L電源路徑降壓充電器進行智慧管理。該配置能夠高效地為各種鋰離子電池充電，最多支援4S1P電池組配置。

如圖1所示，該系統透過降壓-升壓開關穩壓器LTC3115-1動態調節輸出到負載的電壓，並確保穩定輸出最高5 V、2 A的電源，同時LTC4162會監控電池的電量水準。

元件選擇和設計佈局

三個主要元件根據設計模組的設定來優化系統性能。選擇這些元件是為了提升系統效率、有效降低功率損耗、節省PCB佈局空間，並減少整體成本。其佈局示意圖參見圖2。

1. 利用LTC4416支援雙輸入源

雙輸入電源之間的切換可採用基於二極體的簡單「OR閘」配置實現。然而，這種方法會產生顯著的功率損耗，原因是二極體兩端存在固有的正向壓降，即便使用低壓降蕭特基二極體依然如此。LTC4416能夠在兩個輸入源之間實現無縫切換，壓降極低，功率損耗大幅降低。該元件透過控制外部P通道MOSFET來模擬理想二極體，顯著降低導通損耗，進而提升整體系統效率和可靠性。

LTC4416有六種不同的工作模式。具體工作模式取決於E1和E2輸入接腳的配置，詳見資料手冊所述。此設定選擇的模式為：V1大於V2，其中E1設定為感測(Sense)，E2設定為0。這表示晶片優先使用V1電源。在這種工作模式下，IC被配置為優先使用V1，可接受15 V到35 V DC的寬廣輸入電壓範圍，而V2電源由太陽能電池板提供（3.6 V到15 V），用於備用電源。當V1大於或等於15 V時，E1使V1源成為主要電源，並關閉V2電源，因為V1大於V2。

當V1降至13.4 V時，V2成為主要電源，而V1與輸出斷開。只要太陽能電池板的電壓在3.6 V到15 V之間，V2就會持續為輸出負載供電，直到V1恢復。V1的復原點設定為15 V，如圖2所示。

V1的故障點和復原點可透過更改圖2中R1、R2和R3的電阻值來修改。資料手冊中提供了如下計算公式：

確定V1後，便可選擇V2以保證最佳配置。如果V1發生故障或不可用，系統會自動切換到V2以維持供電，直至達到復原點為止（前提是V1 > V2）。輸出電源始終鎖定較高電壓源，如果V2 > V1，則不會恢復。

2. 智慧電源路徑管理

在行動電源和某些裝置中，電池的使用和充電可能會同時進行。針對此類應用，實現電源路徑充電是理想解決方案。此種方法透過高效管理系統與電池之間的電力分配，協助優化電池性能並延長總使用壽命。系統會智慧地管理電源輸入，從三個輸入源選擇一個：AC轉DC電源轉接器、太陽能電池板或電池。AC轉DC電源轉接器或太陽能電池板主要用於為電池充電。

如果AC轉DC電源轉接器發生故障，並且太陽能電池板電壓降至最低值以下，則系統會自動切換到已充電的備用電池來為負載供電。來自LTC4416電源路徑的輸出饋送至LTC4162-L，後者支援最高35 V的輸入電壓。

即使電池電量耗盡或無電池，LTC4162-L也能立即工作。其整合了最大功率點追蹤(MPPT)功能，可提升太陽能轉換效率。

在明亮陽光下，太陽能電池板工作在兩個區域：低阻抗時維持恆定電壓，高阻抗時維持恆定電流。這種行為可確保裝置在較低阻抗（例如較高電壓區域）下工作時，控制迴路也能保持穩定。然而，該IC使用輸入電壓來尋找MPPT，故太陽能電池板電壓會因較高阻抗（例如較低電壓區域）而下降，使得控制迴路變得不穩定。在設計中，太陽能電池板輸入工作在高阻抗狀態(< 12 V)。為了解決此一問題，我們使用了圖2所示的R-C網路（R4和C1），使得控制迴路即使在多變的光照條件下也能保持穩定。對於低功率太陽能電池板，建議使用更高的C1電容值（範圍從100 µF到1000 µF），以確保MPPT性能穩健。

3. 備用鋰離子電池

TLTC4162電池充電器支援多達八個串聯(8S)鋰離子電芯配置，並針對多種電池化學特性提供了相應的版本：LTC4162-L適用於鋰離子電池，LTC4162-F適用於磷酸鐵鋰(LiFePO₄)電池，LTC4162-S適用於鉛酸電池。該設計可支援最多4S配置（涵蓋1S至4S供電方案）的堆疊鋰離子電芯，如表1所示。

該配置透過CELLS1和CELLS0接腳定義，具體映射規則參照表1。

4. 開關穩壓器

LTC4162-L的輸出隨後透過同步降壓-升壓開關穩壓器進行調節。LTC3115-1是一款高效率單晶片同步降壓-升壓DC-DC轉換器，專為需要寬廣輸入電壓範圍和低雜訊的應用而設計。其採用2.7 V到40 V電壓供電，可提供高達2 A的連續電流。該開關穩壓器還具有可程式化輸出電壓、降壓與升壓模式之間無縫轉換、穩健的保護功能等特性，適用於工業和電池供電應用。

本設計之所以選擇該元件，是因為其具有高效率和低雜訊的優勢。該轉換器可彈性適應不同的電源條件：當輸入電壓超過6 V時，其能提供高達2 A的電流；當輸入電壓超過3.6 V時，能提供1 A的電流。針對所有電池配置（1S、2S、3S、4S），可透過連接器配置欠壓保護(UVLO)，如圖2所示（J5連接器）。

5. USB Type-C輸出

輸出採用了處於非功率傳輸(PD)模式的USB Type C配置，以便為任何需要5 V穩壓輸出、最高2 A電流的可攜式裝置充電。表2給出了針對USB埠不同電流源的電阻值選擇。

單板性能

該板專門設計為4層PCB，以確保穩定、無雜訊、高效運行，如圖3所示。佈局採用「SIG/電源–GND–GND–SIG/電源」的堆疊配置，並遵循資料手冊中關於元件佈置的建議。該板從V1和V2兩個輸入接收電源，用於為電池充電和為負載供電。如果主要電源失效，且太陽光強度較高，則太陽能電池板將接管，一邊為負載供電，一邊為電池充電。在夜間或太陽光強度較弱時，太陽能電池板電壓會下降，系統會自動檢測到這種情況，並切換到電池供電以保持負載運行。

假設使用1S電池配置，如果電池電壓降至3.3 V以下，LTC3115-1將自動關閉，透過啟動UVLO功能來保護電池。該機制有助於防止電池深度放電，避免損壞電池或縮短電池使用壽命。UVLO閾值可針對每種電池配置，透過更改R7、R19、R27和R21電阻值進行微調。具體實現方式可參考LTC3115-1資料手冊中的UVLO公式。根據應用要求，最低電壓限值可設定為3.0 V。

為了在電池連接錯誤的情況下保護電路，我們採用二極體(D3)和熔絲(FUSE1)實現極性反接保護。此外，MOSFET Q1、Q4和Q3的體二極體可作為物理屏障，有效阻斷異常電流，進而在反向電壓情況下進一步保護輸入。

圖4展示了系統在不同負載條件下的階躍響應和瞬態響應特性，直覺呈現了系統的動態行為。實驗結果證實了控制迴路的性能，並驗證了補償網路在多種工況下的有效性。圖5展示了當V1從較高電壓降至15 V時，LTC4416輸出的優先切換行為。該元件的輸出無縫轉換到8 V的V2，確保輸出負載不受電壓變化的影響。同時，V1復原點設定為16.8 V。

堆疊展示板與單板的比較

本節對原型設計的多展示板設定與新開發的單板解決方案進行了全面比較。原型設計利用三個獨立的展示板：LTC4416（用於理想二極體電源路徑控制）、LTC4162-L（用於電池充電和電源管理）以及CN0509 USB充電器板。 CN0509特別值得注意的是，其支援5 V到100 V的寬廣輸入電壓範圍，並且能夠提供高達2 A、5 V的穩定輸出。其集 LTC7103降壓轉換器與 LT8302隔離式反馳式轉換器於一體，在輸入和輸出之間實現了電氣隔離。

相較之下，單板將這些功能整合到一起，用單一元件LTC3115-1取代了LTC7103和LT8302。此一變化目的在提升整體系統性能和效率，縮減物理尺寸，並降低物料成本。雖然犧牲了一些特性，如隔離輸出，但這種折衷使得設計更加精簡和實用，適合需要擴展的應用場景。

電路板尺寸

單板解決方案顯著簡化了整體系統設計，物料清單(BOM)數量減少大約30%，尺寸如圖6所示。

此外，單板解決方案的精巧性有助於實現更高效的電源系統架構。透過將多種功能整合到統一平台中，此種設計提升了空間利用率，在保持高性能的同時實現更精巧的外型。此一優勢在可攜式電子裝置等空間受限的應用中尤為重要。

效率

該板最顯著的改良之一是能夠高效率供電。優化的功率傳輸能夠減少能耗，進而延長執行時間並改善散熱表現。高效率對於電池供電裝置非常重要，因為能耗越低，電池續航時間越長。單板解決方案透過減少電力浪費和提升能源利用效率，顯著增強了系統性能。圖7顯示，單板解決方案在8 V輸入時的峰值效率為92.94%，在10 V時達到91%。相較之下，原型堆疊展示板在10 V輸入時的峰值效率僅為73.79%。原型堆疊展示板效率偏低，主要原因顯然在於連接多個電路板的線纜存在能量損耗，同時反馳式轉換器部分也有額外損耗。

當兩個輸入源都失效時，電池會自動為負載供電。採用標稱電壓為7.4 V的2S電池配置時，單板解決方案實現了94.52%的峰值效率，而原型堆疊展示板僅為77.12%。表示單板設計在系統運行期間能夠更有效地節省電池電力，如圖7所示。單板優化解決方案在6 V輸入電壓下實現最大2A的輸出電流，而之前的原型板在12 V輸入電壓下實現最大2 A電流，如圖7所示。

結論

我們利用ADI元件開發了一種精巧且整合的單板行動電源解決方案。這種優化設計佈局簡潔，能夠提升整體效率並縮減系統實體尺寸。所採用的架構彈性且適應性強，因此適合各種涉及電池供電裝置的應用。解決方案也支援智慧電源路徑管理，有助於延長電池續航時間。

此概念可用於嵌入式汽車電子系統，在大規模生產中將光伏輸入與其他電源和備用電池相互結合，建構高效的混合供電體系。在此類配置中，可使用具有高功率需求的ADI產品，如LTC4020。

參考資料

Carey Diarmuid，「如何在不建構專用硬體的情況下製作行動電源原型」，《類比對話》，2023年2月。