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隨著諸如平板電腦和智能手機(jī)等便攜式設(shè)備的迅速增長和不斷涌現(xiàn)，要想實(shí)施電池管理以達(dá)到更高的電池供電系統(tǒng)性能，變得越來越困難。電池管理系統(tǒng)必須擁有一定的智能，以支持各種適配器類型和電池化學(xué)物質(zhì)，并提高電池充電效率。與此同時(shí)，提供良好的用戶體驗(yàn)也越來越重要，例如：系統(tǒng)快速開機(jī)、長電池使用時(shí)間和快速充電等。本文將討論如何利用輸入電流和輸入電壓型動(dòng)態(tài)電源管理 (DPM) 控制來提高電池充電性能，以防止系統(tǒng)崩潰以及最大化適配器有效功率，并為您說明延長電池工作時(shí)間的一些重要設(shè)計(jì)考慮因素。
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引言
終端用戶對(duì)于快速充電和高效充電的需求日益增長。鋰離子 (Li-Ion) 電池是一種理想的選擇，因?yàn)槠鋼碛蟹浅８叩哪芰棵芏?。這種電池具有高充電電流，能夠很好地適用于 10 英尺平板電腦應(yīng)用，可用于 6 Ah 以上的高電池組容量。平板電腦要求具有優(yōu)異的散熱性能和快速開機(jī)特性，即使是深度放電的電池也是如此。這些要求給設(shè)計(jì)人員帶來了諸多設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。首先是，如果最大化電源的有效功率，以高效、快速地對(duì)電池充電同時(shí)電源不能崩潰。其次是，如何在系統(tǒng)保持運(yùn)行的同時(shí)，對(duì)深度放電的電池進(jìn)行充電。最后是如何提高散熱性能。
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動(dòng)態(tài)電源路徑管理
如何最大化有效功率，從而實(shí)現(xiàn)快速、高效的電池充電呢？所有電源都有其輸出電流或者功率限制。例如，高速 USB (USB2.0) 端口的最大輸出電流為 500 mA，而超高速 USB (USB3.0) 端口的最大輸出電流為 900 mA。如果系統(tǒng)功率需求超出電源的有效功率，電源便會(huì)崩潰。對(duì)電池充電時(shí)，我們?nèi)绾卧谧畲蠡β瘦敵龅耐瑫r(shí)防止電源崩潰呢？我們使用了三種控制方法：輸入電流型 DPM、輸入電壓型 DPM 和電池補(bǔ)充模式。
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圖 1 顯示了使用 DPM 控制的高效開關(guān)模式充電器。MOSFET Q2 和 Q3 以及電感 L 組成一個(gè)同步開關(guān)降壓式電池充電器。這種組成方法達(dá)到了最高電池充電效率，充分利用適配器功率，從而實(shí)現(xiàn)了最為快速的電池充電。MOSFET Q1 用作一個(gè)電池反向阻塞 MOSFET，目的是防止電池漏電通過 MOSFET Q2 體二極管流至輸入。另外，它還用作一個(gè)輸入電流檢測組件，以監(jiān)控適配器電流。
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MOSFET Q4 用于主動(dòng)監(jiān)測和控制電池充電電流，以實(shí)現(xiàn) DPM。當(dāng)輸入功率足以同時(shí)支持系統(tǒng)負(fù)載和電池充電時(shí)，使用 ICHG 理想充電電流值對(duì)電池充電。如果系統(tǒng)負(fù)載 ISYS 突然增加，并且其總適配器電流達(dá)到電流限制設(shè)置 IREF，則輸入電流調(diào)節(jié)環(huán)路主動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，并將輸入電流維持在預(yù)定義輸入基準(zhǔn)電流 IREF 電平。通過降低充電電流并優(yōu)先為系統(tǒng)供電，讓其達(dá)到最高系統(tǒng)性能，可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。因此，可以在輸入電源不崩潰的情況下，始終最大化輸入功率，同時(shí)在系統(tǒng)和電池充電之間動(dòng)態(tài)地共享有效功率。
圖 1 輸入電流型動(dòng)態(tài)電源管理
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如果系統(tǒng)連接一個(gè)無法識(shí)別其電流限制的第三方電源，則難以使用輸入電流限制型 DPM，而應(yīng)使用輸入電壓型 DPM，其控制算法如圖 2 所示。電阻分壓器 R1 和 R2 用于檢測輸入電壓，并為輸入電壓調(diào)節(jié)環(huán)路的誤差放大器提供輸入。類似地，如果系統(tǒng)負(fù)載增加，其使輸入電流超出適配器電流限制，則適配器電壓開始下降，并最終達(dá)到預(yù)定義的最小輸入電壓。
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激活輸入電壓調(diào)節(jié)環(huán)路，以將輸入電壓維持在預(yù)定義電壓電平。自動(dòng)降低充電電流，以使來自輸入電源的總電流達(dá)到其最大值，而輸入電源又不會(huì)崩潰。因此，系統(tǒng)現(xiàn)在便可以追蹤適配器的最大輸入電流。利用這種方法設(shè)計(jì)輸入調(diào)節(jié)電壓，其電壓仍然高到足以對(duì)電池完全充電。例如，可以將它設(shè)置為 4.35V 左右，以對(duì)一個(gè)單節(jié)鋰離子電池組進(jìn)行完全充電。
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圖 2 輸入電壓型動(dòng)態(tài)電源管理
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輸入電流和輸入電壓型 DPM 控制都可以從適配器獲取最大功率的同時(shí)而不使適配器崩潰。對(duì)于諸如智能電話和平板電腦等便攜式設(shè)備來說，系統(tǒng)負(fù)載通常隨高脈動(dòng)電流而動(dòng)態(tài)變化。即使是充電電流已經(jīng)降至零，如果脈動(dòng)系統(tǒng)峰值功率高于輸入功率，那會(huì)出現(xiàn)什么情況呢？在沒有主動(dòng)控制的情況下，輸入電源可能會(huì)崩潰。
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一種解決方案是增加適配器額定功率，但這會(huì)增加適配器的尺寸和成本。另一種方案是除適配器提供的有效功率以外再為系統(tǒng)補(bǔ)充額外功率，以對(duì)電池臨時(shí)放電。因此，電池會(huì)開啟 MOSFET Q4 來提供額外功率，從而實(shí)現(xiàn)電池放電而充電。組合使用 DPM 控制和電池補(bǔ)充功率模式，可實(shí)現(xiàn)對(duì)適配器的優(yōu)化，以支持平均功率而非最大峰值系統(tǒng)功率，達(dá)到降低成本和實(shí)現(xiàn)最小解決方案尺寸的目的。
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提高系統(tǒng)性能設(shè)計(jì)考慮
一些便攜式電源系統(tǒng)，例如：平板電腦和智能電話等，要求具有一種“快速開機(jī)”功能，以提升用戶體驗(yàn)。這就意味著，不客電池是完全充電還是深度放電，當(dāng)連接適配器時(shí)系統(tǒng)都要能夠快速開啟。
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讓我們來回顧圖 1-2 所示系統(tǒng)，并使用一個(gè)單節(jié)鋰離子電池系統(tǒng)作為舉例。如果在不使用MOSFET Q4 的情況下將電池直接連接至系統(tǒng)，VBUS 的系統(tǒng)總線電壓與電池電壓相同。一塊電壓為 3V 的深度放電電池，其電壓不足以開啟系統(tǒng)。終端用戶需要等電池充電至 3.4V 之后，才能開啟系統(tǒng)。為了支持系統(tǒng)快速開機(jī)，需要添加一個(gè) MOSFET Q4，讓系統(tǒng)在線性模式下工作，以維持最小系統(tǒng)工作電壓，并同時(shí)對(duì)深度放電的電池充電。最小系統(tǒng)電壓由開關(guān)式轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)，而充電電流則由 LDO 模式通過控制 MOSFET Q4 來調(diào)節(jié)。一旦電池電壓達(dá)到最小系統(tǒng)工作電壓，MOSFET Q4 便完全開啟。它的充電電流通過同步降壓轉(zhuǎn)換器的占空比調(diào)節(jié)。因此，系統(tǒng)電壓始終維持在最小系統(tǒng)工作電壓和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的最大電池電壓之間。
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如何延長電池工作時(shí)間呢？當(dāng)然，電池容量越高，電池工作時(shí)間也就越長。就單節(jié)電池供電系統(tǒng)而言，典型的最小系統(tǒng)電壓為 3.4V 左右，以達(dá)到系統(tǒng)所要求的 3.3V輸出。如果 MOSFET Q4 的導(dǎo)通電阻為 50 mΩ，并且電池放電電流為 3A，則電池終止電壓為 3.55V。這就意味著 15% 以上的電池容量未用，殘留在電池中。為了最大化電池工作時(shí)間，MOSFET Q4 的導(dǎo)通電阻必須設(shè)計(jì)的盡可能地小，例如：10 mΩ。
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圖 3 顯示了一個(gè)使用集成 MOSFET 的高效、單節(jié)電池 I2C 電池充電器舉例。該充電器同時(shí)支持 USB 和 AC 適配器輸入，適用于平板電腦和便攜式媒體設(shè)備應(yīng)用。同時(shí)集成了 4 個(gè)功率 MOSFET，而 MOSFET Q1 和 Q4 用于檢測輸入電流和電池充電電流，目的是進(jìn)一步最小化系統(tǒng)解決方案尺寸。這種充電器可以檢測到 USB 和適配器電源之間的切換，以快速建立正確的輸入電流限制。另外，充電器還可以作為一個(gè)單獨(dú)的充電器使用內(nèi)部默認(rèn)充電電流、充電電壓、安全計(jì)時(shí)器和輸入電流限制對(duì)電池充電—即使系統(tǒng)為關(guān)閉狀態(tài)。它還擁有 USB OTG 功能，可讓充電器工作在增壓模式下，通過電池為 USB 輸入端提供 5V/1.3A 輸出。
圖 3 使用動(dòng)態(tài)電源管理的 4A I2C 高效開關(guān)模式充電器
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對(duì)于一些超薄設(shè)計(jì)的便攜式設(shè)備來說散熱性能至關(guān)重要，因?yàn)橛脩艉苋菀妆隳芨杏X到 PCB 電路板的發(fā)熱情況。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，使用優(yōu)化的高效、優(yōu)秀布局設(shè)計(jì)非常重要。要想進(jìn)一步提高熱性能，需使用一個(gè)熱調(diào)節(jié)環(huán)路。一旦達(dá)到預(yù)定義的結(jié)溫，它便通過降低充電電流來確保不超出最高結(jié)溫。圖 4 顯示了測量得到的電池充電效率。利用 5V USB 輸入，可以獲得高達(dá) 94% 的效率。9V 輸入和 4A 充電電流時(shí)，溫度僅升高了 32°C。
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圖 4 不同充電電流的測得電池充電效率
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總結(jié)
電池補(bǔ)充模式的動(dòng)態(tài)電源管理對(duì)于電池充電系統(tǒng)性能優(yōu)化至關(guān)重要。輸入電流和輸入電壓型 DPM 均用于在對(duì)電池充電的同時(shí)為系統(tǒng)供電，并提供快速開機(jī)功能。另外，本文還討論了電池工作時(shí)間和熱性能等重要設(shè)計(jì)考慮因素。
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引言
終端用戶對(duì)于快速充電和高效充電的需求日益增長。鋰離子 (Li-Ion) 電池是一種理想的選擇，因?yàn)槠鋼碛蟹浅８叩哪芰棵芏?。這種電池具有高充電電流，能夠很好地適用于 10 英尺平板電腦應(yīng)用，可用于 6 Ah 以上的高電池組容量。平板電腦要求具有優(yōu)異的散熱性能和快速開機(jī)特性，即使是深度放電的電池也是如此。這些要求給設(shè)計(jì)人員帶來了諸多設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。首先是，如果最大化電源的有效功率，以高效、快速地對(duì)電池充電同時(shí)電源不能崩潰。其次是，如何在系統(tǒng)保持運(yùn)行的同時(shí)，對(duì)深度放電的電池進(jìn)行充電。最后是如何提高散熱性能。
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動(dòng)態(tài)電源路徑管理
如何最大化有效功率，從而實(shí)現(xiàn)快速、高效的電池充電呢？所有電源都有其輸出電流或者功率限制。例如，高速 USB (USB2.0) 端口的最大輸出電流為 500 mA，而超高速 USB (USB3.0) 端口的最大輸出電流為 900 mA。如果系統(tǒng)功率需求超出電源的有效功率，電源便會(huì)崩潰。對(duì)電池充電時(shí)，我們?nèi)绾卧谧畲蠡β瘦敵龅耐瑫r(shí)防止電源崩潰呢？我們使用了三種控制方法：輸入電流型 DPM、輸入電壓型 DPM 和電池補(bǔ)充模式。
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圖 1 顯示了使用 DPM 控制的高效開關(guān)模式充電器。MOSFET Q2 和 Q3 以及電感 L 組成一個(gè)同步開關(guān)降壓式電池充電器。這種組成方法達(dá)到了最高電池充電效率，充分利用適配器功率，從而實(shí)現(xiàn)了最為快速的電池充電。MOSFET Q1 用作一個(gè)電池反向阻塞 MOSFET，目的是防止電池漏電通過 MOSFET Q2 體二極管流至輸入。另外，它還用作一個(gè)輸入電流檢測組件，以監(jiān)控適配器電流。
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MOSFET Q4 用于主動(dòng)監(jiān)測和控制電池充電電流，以實(shí)現(xiàn) DPM。當(dāng)輸入功率足以同時(shí)支持系統(tǒng)負(fù)載和電池充電時(shí)，使用 ICHG 理想充電電流值對(duì)電池充電。如果系統(tǒng)負(fù)載 ISYS 突然增加，并且其總適配器電流達(dá)到電流限制設(shè)置 IREF，則輸入電流調(diào)節(jié)環(huán)路主動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，并將輸入電流維持在預(yù)定義輸入基準(zhǔn)電流 IREF 電平。通過降低充電電流并優(yōu)先為系統(tǒng)供電，讓其達(dá)到最高系統(tǒng)性能，可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。因此，可以在輸入電源不崩潰的情況下，始終最大化輸入功率，同時(shí)在系統(tǒng)和電池充電之間動(dòng)態(tài)地共享有效功率。
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?圖 1 輸入電流型動(dòng)態(tài)電源管理
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如果系統(tǒng)連接一個(gè)無法識(shí)別其電流限制的第三方電源，則難以使用輸入電流限制型 DPM，而應(yīng)使用輸入電壓型 DPM，其控制算法如圖 2 所示。電阻分壓器 R1 和 R2 用于檢測輸入電壓，并為輸入電壓調(diào)節(jié)環(huán)路的誤差放大器提供輸入。類似地，如果系統(tǒng)負(fù)載增加，其使輸入電流超出適配器電流限制，則適配器電壓開始下降，并最終達(dá)到預(yù)定義的最小輸入電壓。
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激活輸入電壓調(diào)節(jié)環(huán)路，以將輸入電壓維持在預(yù)定義電壓電平。自動(dòng)降低充電電流，以使來自輸入電源的總電流達(dá)到其最大值，而輸入電源又不會(huì)崩潰。因此，系統(tǒng)現(xiàn)在便可以追蹤適配器的最大輸入電流。利用這種方法設(shè)計(jì)輸入調(diào)節(jié)電壓，其電壓仍然高到足以對(duì)電池完全充電。例如，可以將它設(shè)置為 4.35V 左右，以對(duì)一個(gè)單節(jié)鋰離子電池組進(jìn)行完全充電。
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圖 2 輸入電壓型動(dòng)態(tài)電源管理
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輸入電流和輸入電壓型 DPM 控制都可以從適配器獲取最大功率的同時(shí)而不使適配器崩潰。對(duì)于諸如智能電話和平板電腦等便攜式設(shè)備來說，系統(tǒng)負(fù)載通常隨高脈動(dòng)電流而動(dòng)態(tài)變化。即使是充電電流已經(jīng)降至零，如果脈動(dòng)系統(tǒng)峰值功率高于輸入功率，那會(huì)出現(xiàn)什么情況呢？在沒有主動(dòng)控制的情況下，輸入電源可能會(huì)崩潰。
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一種解決方案是增加適配器額定功率，但這會(huì)增加適配器的尺寸和成本。另一種方案是除適配器提供的有效功率以外再為系統(tǒng)補(bǔ)充額外功率，以對(duì)電池臨時(shí)放電。因此，電池會(huì)開啟 MOSFET Q4 來提供額外功率，從而實(shí)現(xiàn)電池放電而充電。組合使用 DPM 控制和電池補(bǔ)充功率模式，可實(shí)現(xiàn)對(duì)適配器的優(yōu)化，以支持平均功率而非最大峰值系統(tǒng)功率，達(dá)到降低成本和實(shí)現(xiàn)最小解決方案尺寸的目的。
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提高系統(tǒng)性能設(shè)計(jì)考慮
一些便攜式電源系統(tǒng)，例如：平板電腦和智能電話等，要求具有一種“快速開機(jī)”功能，以提升用戶體驗(yàn)。這就意味著，不客電池是完全充電還是深度放電，當(dāng)連接適配器時(shí)系統(tǒng)都要能夠快速開啟。
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讓我們來回顧圖 1-2 所示系統(tǒng)，并使用一個(gè)單節(jié)鋰離子電池系統(tǒng)作為舉例。如果在不使用MOSFET Q4 的情況下將電池直接連接至系統(tǒng)，VBUS 的系統(tǒng)總線電壓與電池電壓相同。一塊電壓為 3V 的深度放電電池，其電壓不足以開啟系統(tǒng)。終端用戶需要等電池充電至 3.4V 之后，才能開啟系統(tǒng)。為了支持系統(tǒng)快速開機(jī)，需要添加一個(gè) MOSFET Q4，讓系統(tǒng)在線性模式下工作，以維持最小系統(tǒng)工作電壓，并同時(shí)對(duì)深度放電的電池充電。最小系統(tǒng)電壓由開關(guān)式轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)，而充電電流則由 LDO 模式通過控制 MOSFET Q4 來調(diào)節(jié)。一旦電池電壓達(dá)到最小系統(tǒng)工作電壓，MOSFET Q4 便完全開啟。它的充電電流通過同步降壓轉(zhuǎn)換器的占空比調(diào)節(jié)。因此，系統(tǒng)電壓始終維持在最小系統(tǒng)工作電壓和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的最大電池電壓之間。
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如何延長電池工作時(shí)間呢？當(dāng)然，電池容量越高，電池工作時(shí)間也就越長。就單節(jié)電池供電系統(tǒng)而言，典型的最小系統(tǒng)電壓為 3.4V 左右，以達(dá)到系統(tǒng)所要求的 3.3V輸出。如果 MOSFET Q4 的導(dǎo)通電阻為 50 mΩ，并且電池放電電流為 3A，則電池終止電壓為 3.55V。這就意味著 15% 以上的電池容量未用，殘留在電池中。為了最大化電池工作時(shí)間，MOSFET Q4 的導(dǎo)通電阻必須設(shè)計(jì)的盡可能地小，例如：10 mΩ。
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圖 3 顯示了一個(gè)使用集成 MOSFET 的高效、單節(jié)電池 I2C 電池充電器舉例。該充電器同時(shí)支持 USB 和 AC 適配器輸入，適用于平板電腦和便攜式媒體設(shè)備應(yīng)用。同時(shí)集成了 4 個(gè)功率 MOSFET，而 MOSFET Q1 和 Q4 用于檢測輸入電流和電池充電電流，目的是進(jìn)一步最小化系統(tǒng)解決方案尺寸。這種充電器可以檢測到 USB 和適配器電源之間的切換，以快速建立正確的輸入電流限制。另外，充電器還可以作為一個(gè)單獨(dú)的充電器使用內(nèi)部默認(rèn)充電電流、充電電壓、安全計(jì)時(shí)器和輸入電流限制對(duì)電池充電—即使系統(tǒng)為關(guān)閉狀態(tài)。它還擁有 USB OTG 功能，可讓充電器工作在增壓模式下，通過電池為 USB 輸入端提供 5V/1.3A 輸出。
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?圖 3 使用動(dòng)態(tài)電源管理的 4A I2C 高效開關(guān)模式充電器
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對(duì)于一些超薄設(shè)計(jì)的便攜式設(shè)備來說散熱性能至關(guān)重要，因?yàn)橛脩艉苋菀妆隳芨杏X到 PCB 電路板的發(fā)熱情況。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，使用優(yōu)化的高效、優(yōu)秀布局設(shè)計(jì)非常重要。要想進(jìn)一步提高熱性能，需使用一個(gè)熱調(diào)節(jié)環(huán)路。一旦達(dá)到預(yù)定義的結(jié)溫，它便通過降低充電電流來確保不超出最高結(jié)溫。圖 4 顯示了測量得到的電池充電效率。利用 5V USB 輸入，可以獲得高達(dá) 94% 的效率。9V 輸入和 4A 充電電流時(shí)，溫度僅升高了 32°C。
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圖 4 不同充電電流的測得電池充電效率
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總結(jié)
電池補(bǔ)充模式的動(dòng)態(tài)電源管理對(duì)于電池充電系統(tǒng)性能優(yōu)化至關(guān)重要。輸入電流和輸入電壓型 DPM 均用于在對(duì)電池充電的同時(shí)為系統(tǒng)供電，并提供快速開機(jī)功能。另外，本文還討論了電池工作時(shí)間和熱性能等重要設(shè)計(jì)考慮因素。
工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論