電源路徑的有效管理提高開關(guān)充電器的利用效率

隨著智能手機、平板電腦和攝像機等便攜設(shè)備的不斷普及，人們對電源的要求以及對邊充電邊使用這些設(shè)備的能力的要求與日俱增。更高的功率要求增加了對具有高功率密度和優(yōu)異充電能力的電池的需求。目前，鋰離子（Li-ion）電池和鋰聚合物（Li-po）電池最適合當前市場對功率密度、充電能力和價格的要求。但是，有別于鉛酸、鎳氫等其他流行的電池技術(shù)，鋰電池技術(shù)的性能也最不穩(wěn)定：鋰電池充放電若管理不善，將導致充電時間長、耗散功率高、效率低和電池壽命比平均壽命低等問題。圖1顯示了典型鋰離子電池的充電曲線。

傳統(tǒng)充電器相對簡單，這些充電器在小功率應用中表現(xiàn)較好。然而，它們卻不能有效地適應充電曲線的變化，比如，用戶在不同電源之間切換或者在充電期間操作設(shè)備。另外，傳統(tǒng)充電器在大功率和大電流應用中，通常效率較低，耗散功率較大。

圖1：典型鋰離子電池的充電曲線

新型線性和開關(guān)充電器，比如芯源系統(tǒng)（MPS）公司的MP2600系列，采用電源路徑管理技術(shù)改變了充電曲線，從而能夠以更低的耗散功率更加高效地為電池/系統(tǒng)供電。同時，這些充電器也使系統(tǒng)的安全性和電池的使用壽命得到提高。　　

電源管理拓撲種類繁多，本文則重點介紹以下三種：電池饋電、自動選擇和動態(tài)電源路徑。　　

電池饋電拓撲　　

電池饋電拓撲是一種實現(xiàn)過程最簡單、成本最低的拓撲，這是因為其電路由充電器、電池和系統(tǒng)組成，如圖2所示。

圖2：電池饋電拓撲原理圖及信號圖

這種拓撲有三個主要特性：無論供電電壓如何變化，系統(tǒng)電壓始終等于電池電壓，電源系統(tǒng)始終優(yōu)先，以便IBATT ￡ ICHG，并且ICHG最終限制由輸入電源提供給系統(tǒng)電源總線的最大功率。當系統(tǒng)與充電器斷開時該拓撲還可以實現(xiàn)最小的耗散功率，設(shè)置ICHG從根本上限定了總輸入電流，這樣，隨著系統(tǒng)電流（ISYS）的增加，充電電流（IBATT）將等額下降，工作波形如圖2所示?！　?/p>

遺憾的是，這種拓撲有如下不足之處，從而限制了它在更廣應用領(lǐng)域的效率和效用：　　

在電池電壓太低的情況下，系統(tǒng)無法工作。電池電壓跌至涓流充電門限以下時，充電器將把總的輸出電流限制得很低。系統(tǒng)的額外電源需求將由電池來補充，從而導致電池能量進一步耗盡。由于系統(tǒng)電壓始終等于電池電壓，一旦電池電壓低到系統(tǒng)最低工作電壓以下，系統(tǒng)將停止工作?！　?/p>

雖然電池已具有滿電量，但是充電器無法進入EOC（結(jié)束充電）狀態(tài)。如果ISYS超過電池滿電量門限（IBF），那么ICHG就無法降到低于IBF，充電狀態(tài)始終顯示正在充電，即使電池已經(jīng)具有滿電量?！　?/p>

電池無法充滿。由于系統(tǒng)優(yōu)先于電池供電，因此電池只能以低電流進行充電。此外，充電器只能在預期的有效充電時間內(nèi)工作，這樣可以避免給壞電池充電。如充電時間超出此時間段，會導致充電器誤判壞電池而停止充電?！　?/p>

電源路徑自動選擇拓撲　　

電源路徑自動選擇拓撲在電池直接搭載拓撲基礎(chǔ)上外加了兩個開關(guān)管，使得系統(tǒng)電源可以根據(jù)輸入電壓的變化在適配器和電池之間來回切換。拓撲結(jié)構(gòu)及工作波形如圖3所示。

圖3：電源路徑自動選擇拓撲及工作波形

與電池饋電拓撲結(jié)構(gòu)相比，此拓撲有實質(zhì)性的改進。它將系統(tǒng)直接跟交流適配器相連，與充電器獨立開來，因而能夠提供更大的系統(tǒng)電流、更高的效率并且允許系統(tǒng)在低電池電壓下工作。此外，其價格也比較低廉。然而，當適配器輸出電壓變化較大的時候，系統(tǒng)電壓也會隨之變化，所以此拓撲要求系統(tǒng)能夠接受比較寬的輸入電壓變化范圍。此外，也要求適配器具有更高的額定功率，以滿足系統(tǒng)和充電器的最大總功率需求，以及系統(tǒng)負載突變時的功率變化要求?！　?/p>

圖4是采用MPS公司的MP2611構(gòu)成的電源路徑自動選擇拓撲的原理圖。為了防止出現(xiàn)不穩(wěn)定情況，當VBATT接近VIN時，MP2611會斷開系統(tǒng)與電池的連接。此外，它還會在S1 （M1及M2）與S2（M3）之間插入一個消隱期，以防出現(xiàn)電流貫通，從而損壞系統(tǒng)和電池。

圖4：采用MP2611構(gòu)成的電源路徑自動選擇拓撲

動態(tài)電源路徑管理拓撲（DPPM）　　

動態(tài)電源路徑管理（DPPM）技術(shù)采用了一套附加的檢測模塊，測量系統(tǒng)電壓或者輸入電流，實時監(jiān)測總功率需求。一旦功率需求超過預設(shè)值，通過充電器降低充電電流來保證適配器輸出功率恒定而不過載。

例如，基于輸入電壓的DPPM（圖5）通過比較輸入電壓與預設(shè)參考電壓來判斷輸入電流是否達到適配器的輸出電流限制。若適配器電流已經(jīng)達到該限制，適配器電壓將降至預設(shè)參考電壓，然后充電器通過動態(tài)降低充電電流來防止系統(tǒng)電壓繼續(xù)下降。只要輸入電流保持在該限制的水平或者低于該限制，就仍然有電流向電池充電。然而，由系統(tǒng)電壓下降引起的不穩(wěn)定或噪聲使得這種基于電壓的DPPM結(jié)構(gòu)不適合應用在某些對噪聲敏感的場合，比如音頻設(shè)備。

圖5：基于輸入電壓的動態(tài)電源路徑管理

基于輸入電流的DPPM（圖6）采用檢測電阻來評估輸入電流，當輸入電流達到預設(shè)電流門限時，通過動態(tài)降低電池電流來防止適配器過載或系統(tǒng)電壓下降。這樣就保證了系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定，降低了適配器的額外功率要求。同時，該拓撲還具備電池反向補充供電的能力。

圖6：基于輸入電流的動態(tài)電源路徑管理

有些充電器（例如MPS公司的MP2607）可以根據(jù)不同電源要求，優(yōu)化選擇不同的動態(tài)電源路徑管理方案。MP2607根據(jù)不同的適配器類型，在基于輸入電壓和基于輸入電流的DPPM兩種拓撲之間進行智能選擇。若輸入是交流適配器，MP2607采用基于輸入電壓的DPPM技術(shù)，控制適配器交流電壓，使得交流適配器可以同時為系統(tǒng)供電和為電池充電，工作波形如圖7所示。

圖7：MP2607在交流適配器輸入時的動態(tài)電源路徑管理

在USB輸入模式下，MP2607采用基于輸入電流的DPPM。如圖8所示，考慮到USB提供電流能力有限，設(shè)置充電電流在USB限制電流以下。若系統(tǒng)負載電流大于USB限流值，電池將反向補充供電。

圖8：MP2607在USB輸入時的動態(tài)電源路徑管理

總之，具有動態(tài)電源路徑管理的充電器（尤其是那些能在不同管理模式之間切換的充電器）可以為移動電子設(shè)備提供更加精妙的電源解決方案，從而給用戶帶來前所未有的便利、性能和效率。