探討功率路徑實現(xiàn)方案的折衷權衡

為滿足諸多系統(tǒng)需求，在系統(tǒng)設計人員和充電器IC供貨商中正掀起一 股充電器IC的熱潮。本文提到的充電器IC是指智能慧手機/平板電腦等設備中的充電器IC，用于把AC/DC適配器 (或USB) 的功率轉換為適合于電池充電的形式。最近，充電器IC的受關注焦點是高效開關式充電器日益流行，并迅速取代基于線性或脈沖方法的現(xiàn)有充電器解決方案。至于 其原因，已有太多文章討論過了。

本文主要介紹充電器IC的功率路徑特性。功率路徑常常以不同的名稱出現(xiàn)，另外也有多種實現(xiàn)方案。系統(tǒng)設計人員因此可能困擾于如何在不同方案之間進行權衡比較。功率路徑的大致定義是能夠提供以下一種或多種的優(yōu)勢：

1. 系統(tǒng)與電池之間功率共享

2. 為無電池的系統(tǒng)供電

3. 為電池完全耗盡的系統(tǒng)供電

圖1的模塊示意圖是一個使用“理想”二極管的功率路徑的典型實現(xiàn)方案。電流由箭頭標識，可看出“理想”二極管 (不論是內部還是外部) 有助于電流的適當控制。

圖1. 采用“理想二極管”的功率路徑實現(xiàn)方案

這個實現(xiàn)方案雖然能夠滿足功率路徑的標準，但實際上二極管不可能是真正“理想”的。例如，一塊這樣的 IC 的內部二極管實際上是一個電阻值一般為 180m? 的 PMOS，這意味著電池與系統(tǒng)負載之間始終存在一個 180m? 的耗能串聯(lián)組件，其在電池大電流耗電 (比如 GSM 脈沖) 期間會產生相當可觀的額外功耗。采用并聯(lián) PMOS 開關可以減小這個阻抗值，但同時也會增加解決方案的尺寸和成本。

圖2的實現(xiàn)方案不同于圖1所示的方案。圖2中的電路雖然表面上看來似乎沒有功率路徑功能性，但事實上它幾乎能夠滿足所有的需求。另外，它還有一大好處，即系統(tǒng)負載和電池之間沒有耗能串聯(lián)組件。

圖2. FAN5400模塊示意圖

系統(tǒng)與電池功率共享

系統(tǒng)與電池間的功率共享，意味著在輸入功率不足以同時為系統(tǒng)供電和電池充電的情況下，功率可被控制或優(yōu)先供給系統(tǒng)。

FAN5400的典型配置如圖3所示，其中，系統(tǒng)與電池并聯(lián)連接。這種配置的功率控制方式類似于功率路徑，有時會讓人感到混淆，故下面給出了基于真實電池容量和輸入電源數(shù)目的實際情況。

圖3. 典型應用電路，系統(tǒng)與電池并聯(lián)

實例1：1500mAh 電池 (電池的1C最大充電電流能力 為1500mA)，輸入電源為 5V/ 500mA 的USB 2.0

情況A) 在 3.6V和系統(tǒng)負載400mA接通的情況下，部分充電的電池。

在系統(tǒng)負載接通之前，充電器已經處于CC模式。由于輸入電源為5V 500mA，電池電壓為3.6V，故大約有632mA的電流可用于電池充電。這個數(shù)值是考慮到充電器轉換效率以及降低電壓時獲得的輸出電流倍增因子而計算出的。

(1)

由本例中的這些數(shù)值，可得5V/3.6V•500mA•91%=632mA。從圖4中可發(fā)現(xiàn) 91%效率數(shù)據點。

圖4. FAN5400 的轉換效率與電池電壓及VBUS電壓的關系

當系統(tǒng)負載接通時，400mA的電流轉向系統(tǒng)，只剩下232mA用于電池充電。這就相當于功率控制(power steering);對于充電器來說，系統(tǒng)的優(yōu)先級高于電池。在系統(tǒng)負載關斷時，全部的 632mA 電流再一次流向電池。如圖3所示，F(xiàn)AN5400 的優(yōu)點在于系統(tǒng)和負載之間沒有耗能串聯(lián)組件。

情況B) 在 3.6V和系統(tǒng)負載 2000mA接通的情況下，部分充電的電池。

在系統(tǒng)負載接通之前，與情況A類似，充電器已經處于CC 模式下，并把所有輸入功率用于632mA 的電池充電。當系統(tǒng)負載接通時，632mA的電流轉向系統(tǒng)，余下的 1368mA 負載電流由電池提供。

這相當于功率控制;對于充電器來說，系統(tǒng)的優(yōu)先級高于電池。在系統(tǒng)負載關斷時，全部的632mA電流再一次流向電池。同樣的，圖3所示電路具有一個優(yōu)點，即在系統(tǒng)和負載之間無耗能組件。

情況C) 在 4.2V和系統(tǒng)負載 400mA 接通的情況下，完全充電的電池。

在系統(tǒng)負載接通之前，充電器是關斷的。當負載接通時，所有系統(tǒng)功率首先來自于電池。一旦VBAT 《 VOREG - VRCH，充電器便會啟動。VRCH 是再充電閾值，為120mV。由于輸入電源為 5V 500mA，充電器能提供的最大可用電流為 5V/4V•500mA•92%=575mA (這里假設電池電壓為4V)。充電器啟動時，充電器的充電電流應該為 575mA。不過，由于系統(tǒng)負載仍然存在，實際上只有 575mA-400mA=175mA 流入電池。

這相當于功率控制;對于充電器來說，系統(tǒng)的優(yōu)先級高于電池。在系統(tǒng)負載關斷時，全部的 575mA電流流向電池，直到電池進入CV模式，這時，充電電流開始減小。同樣的，圖3所示電路具有一個優(yōu)點，即在系統(tǒng)和負載之間無耗能組件。

情況D) 在 4.2V和系統(tǒng)負載 2000mA接通的情況下，完全充電的電池。

在系統(tǒng)負載接通之前，充電器是關斷的。當負載接通時，功率首先來自于電池，而電池充電器幾乎立即啟動，并進入CC模式。這是因為鋰離子電池一般都有一個150m??的輸出阻抗，這個阻抗幾乎立刻使 VBAT 《 VOREG - VRCH。 類似于情況 C，充電器試圖以 575mA 的電流為電池充電 (實際上會稍高于 575mA，因為這種情況中電池電壓比情況 C 的低，且倍增因子略高。不過，由于這是演示實驗，所以可以忽略不考慮)。充電器試圖充電，但由于系統(tǒng)負載為2000mA，575mA 的電流流向負載，剩余1425mA的系統(tǒng)負載電流由電池提供。