動(dòng)態(tài)電源路徑管理的電池充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮因素

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。

引言

終端用戶對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)，對深度放電的電池進(jìn)行充電。最后是如何提高散熱性能。

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。

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。

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

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。

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電池完全充電。例如，可以將它設(shè)置為4.35V左右，以對一個(gè)單節(jié)鋰離子電池組進(jìn)行完全充電。

圖2:輸入電壓型動(dòng)態(tài)電源管理

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。