動(dòng)態(tài)電源管理，實(shí)現(xiàn)更快速、更高效的電池充電

引言

隨著對(duì)于新興便攜式設(shè)備（例如：平板電腦和智能電話等）需求的快速增長(zhǎng)，在如何提高電池供電型系統(tǒng)性能方面出現(xiàn)了許多新的挑戰(zhàn)。電池管理系統(tǒng)必須能夠智能地支持不同類型的適配器和電池化學(xué)成份，并且必須擁有高效的快速充電能力。與此同時(shí)，提供良好的用戶體驗(yàn)也非常重要，例如：系統(tǒng)瞬間開(kāi)啟、更長(zhǎng)的電池使用時(shí)間以及快速充電等。本文將討論如何通過(guò)動(dòng)態(tài)電源管理（DPM）實(shí)現(xiàn)快速電池充電和提高電池充電性能。DPM幫助避免系統(tǒng)崩潰，并可最大化適配器的可用功率。它可以基于輸入電流或者輸入電壓，或者與電池補(bǔ)充供電模式一起組合使用。本文還會(huì)介紹一些延遲電池使用時(shí)間的重要設(shè)計(jì)考慮。

鋰離子（Li-Ion）電池對(duì)于便攜式設(shè)備不斷增長(zhǎng)的電力需求來(lái)說(shuō)是一種理想選擇，因?yàn)樗鼡碛蟹浅８叩哪芰棵芏?。今天，一?0英寸屏幕的平板電腦，通常會(huì)使用一塊6到10Ah容量的電池組來(lái)提供更長(zhǎng)的工作時(shí)間。利用高容量電池，便攜式設(shè)備便可擁有快速、高效的充電能力，從而實(shí)現(xiàn)良好的用戶體驗(yàn)。另外，平板電腦還要求具備其它一些功能，例如：優(yōu)異的散散熱性能和瞬間開(kāi)機(jī)的能力（即使在電池被深度放電的情況下）。這些要求帶來(lái)了許多技術(shù)挑戰(zhàn)。一個(gè)挑戰(zhàn)是，如何在不使電源崩潰的同時(shí)，最大化電源的可用功率，以高效和快速地對(duì)電池充電。另一個(gè)挑戰(zhàn)是，如何在系統(tǒng)工作的同時(shí)對(duì)深度放電的電池進(jìn)行充電。最后一個(gè)挑戰(zhàn)是，如何延遲電池使用時(shí)間和提高散熱性能。

動(dòng)態(tài)電源管理（DPM）

如何最大化可用功率，對(duì)電池進(jìn)行快速、高效的充電？所有電源都其輸出電流或者功率限制。例如，高速USB（USB 2.0）端口的最大輸出電流限定在500mA，而超高速USB（USB 3.0）端口的最大輸出電流為900mA。如果系統(tǒng)的功率需求超出電源能夠提供的功率，則電源會(huì)崩潰。電池充電時(shí)，如何在使功率輸出最大化的同時(shí)防止電源崩潰呢？下面，我們介紹3種控制方法：基于輸入電流的DPM，基于輸入電壓的DPM，以及與電池補(bǔ)充供電模式一起使用的DPM。

基于輸入電流的DPM

圖1顯示了使用DPM控制的高效開(kāi)關(guān)模式充電器。MOSFET Q2及Q3與電感器L組成了一個(gè)同步開(kāi)關(guān)降壓型電池充電器。使用一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器，可確保有效轉(zhuǎn)換適配器的輸入功率，以實(shí)現(xiàn)更快速的電池充電。MOSFET Q1用作一個(gè)電池反向阻塞MOSFET，用于防止電池到輸入的漏電流通過(guò)MOSFET Q2的體二極管。另外，它還起到一個(gè)輸入電流檢測(cè)器的作用，以監(jiān)測(cè)適配器電流。

圖1　基于輸入電流的DPM

MOSFET Q4用于主動(dòng)監(jiān)測(cè)和控制電池充電電流，以實(shí)現(xiàn)DPM功能。當(dāng)輸入功率足以支持系統(tǒng)負(fù)載和電池充電時(shí)，使用理想的充電電流值ICHG來(lái)對(duì)電池充電。如果系統(tǒng)負(fù)載（ISYS）突然增加且其總適配器電流達(dá)到限流設(shè)置（IREF），則輸入電流調(diào)節(jié)環(huán)路主動(dòng)調(diào)節(jié)，并使輸入電流保持在預(yù)定義IREF輸入基準(zhǔn)電流上。給予更高的優(yōu)先權(quán)為系統(tǒng)供電，以讓其達(dá)到最高性能，并同時(shí)降低充電電流，這樣便可實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。因此，我們始終可以在輸入功率電源不崩潰的同時(shí)最大化輸入功率，并且讓可用功率動(dòng)態(tài)地在系統(tǒng)和電池充電之間共用。

基于輸入電壓的DPM

如果一個(gè)第三方電源插入系統(tǒng)，而系統(tǒng)卻無(wú)法識(shí)別其電池限制，則難以根據(jù)輸入電流限制來(lái)使用DPM。這種情況下，我們可以使用基于輸入電壓的DPM（圖2）。電阻分壓器R1和R2用于檢測(cè)輸入電壓，然后饋給輸入電壓調(diào)節(jié)環(huán)路的誤差放大器。同樣，如果系統(tǒng)負(fù)載增加，致使輸入電流超出適配器的電流限制，則適配器電壓開(kāi)始下降，并最終達(dá)到預(yù)設(shè)的最小輸入電壓。輸入電壓調(diào)節(jié)環(huán)路被激活，以讓輸入電壓維持在預(yù)設(shè)水平。通過(guò)自動(dòng)降低充電電流以便讓來(lái)自輸入功率電源的總電流達(dá)到其最大值（電源不崩潰），可以完成這項(xiàng)工作。因此，系統(tǒng)可以追蹤適配器的最大輸入電流。設(shè)計(jì)輸入電壓調(diào)節(jié)的目的是，讓電壓保持足夠高，以便對(duì)電池完全充電。例如，可把電壓設(shè)置為4.35V左右，以對(duì)一塊單節(jié)鋰離子電池組完全充電。

圖2 基于輸入電壓的DPM

電池補(bǔ)充供電模式

基于輸入電流或者輸入電壓的DPM可在電源不崩潰的情況下從適配器獲得最大功率。對(duì)于一些便攜式設(shè)備而言，例如：智能電話和平板電腦等，系統(tǒng)負(fù)載通常是動(dòng)態(tài)的，并且有高脈沖電流。即使是充電電流已降至零，如果出現(xiàn)脈沖電流的系統(tǒng)的峰值功率高于輸入功率怎么辦？如果不主動(dòng)控制，則輸入功率電源可能會(huì)崩潰。

一種解決方案是，增加適配器的額定功率，但這會(huì)增加適配器的體積和成本。另一種解決方案是，開(kāi)啟MOSFET Q4對(duì)電池放電而非充電，從而暫時(shí)性地為系統(tǒng)提供更多的功率。組合運(yùn)用DPM控制和電池補(bǔ)充供電模式，可優(yōu)化適配器，以提供平均功率而非最大峰值系統(tǒng)功率，從而降低成本，并實(shí)現(xiàn)最小的解決方案尺寸。

提高系統(tǒng)性能設(shè)計(jì)考慮

如平板電腦和智能電話等便攜式設(shè)備，均要求實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)開(kāi)機(jī)功能，從而提供良好的用戶體驗(yàn)。這就意味著，不管電池是完全充電還是深度放電，插入適配器時(shí)系統(tǒng)都要瞬時(shí)開(kāi)啟。

例如，我們假設(shè)，系統(tǒng)使用一塊單節(jié)鋰離子電池，如圖1和2所示。如果在沒(méi)有MOSFET Q4的情況下，電池直接連接至系統(tǒng)，則系統(tǒng)總線電壓（VBUS）與電池電壓一樣。電壓小于3V的一塊深度放電電池，可能會(huì)阻止系統(tǒng)開(kāi)啟。用戶可能不得不等待電池充電至3.4V以后才能開(kāi)啟系統(tǒng)。為了支持瞬時(shí)開(kāi)啟功能，我們添加了MOSFET Q4，以便工作在線性模式下，實(shí)現(xiàn)對(duì)深度放電電池充電的同時(shí)維持最小系統(tǒng)工作電壓。最小系統(tǒng)電壓通過(guò)開(kāi)關(guān)式轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)，而Q4的充電電流則通過(guò)一個(gè)線性控制環(huán)路來(lái)調(diào)節(jié)。一旦電池電壓達(dá)到最小系統(tǒng)電壓，MOSFET Q4便完全開(kāi)啟。它的充電電流通過(guò)同步降壓轉(zhuǎn)換器的占空比來(lái)調(diào)節(jié)。所以，系統(tǒng)電壓始終維持在最小系統(tǒng)工作電壓和最大電池電壓之間，以為系統(tǒng)供電。

在一個(gè)5V的USB充電系統(tǒng)中，電源和電池之間的所有串行電阻都會(huì)影響充電效率。充電通路的電阻由FET Q1、Q2及Q4的“導(dǎo)通”電阻以及USB線纜約250 m?的電阻共同組成。如果線纜電壓下降，充電器輸入電壓很少能達(dá)到4.5V。因此，設(shè)計(jì)一種FET“導(dǎo)通”電阻最低的充電器，可以最小化充電時(shí)間，這一點(diǎn)至關(guān)重要。圖3比較了使用 TI bq24190 USB/適配器充電器設(shè)計(jì)和80 m?充電通路額外電阻替代設(shè)計(jì)的充電時(shí)間。我們可以看到，相比另一種設(shè)計(jì)，由于輸入電壓達(dá)到4.5V，bq24190設(shè)計(jì)的充電時(shí)間縮短了20%。

圖3 充電通路中高“導(dǎo)通”電阻的影響

延遲電池使用時(shí)間

當(dāng)然，電池容量越高，電池使用時(shí)間也就越長(zhǎng)。對(duì)于一個(gè)單電池供電的系統(tǒng)而言，通常要求3.3V的輸出電壓，其典型最小系統(tǒng)電壓為3.4V左右。如果MOSFET Q4的“導(dǎo)通”電阻為50 m?，并且電池放電電流為3A，則電池截止電壓為3.55V。這就意味著，超過(guò)15%的電池容量并未得到利用。為了最大化電池使用時(shí)間，MOSFET Q4的“導(dǎo)通”電阻必須盡可能地小。例如，“導(dǎo)通”電阻為10 m?，并且峰值電池放電電流同樣為3A，則電池截止電壓為3.43V。相比50 m?的“導(dǎo)通”電阻，它所提供的電池電量多10%。

圖4顯示了一個(gè)使用集成MOSFET的高效、單電池I2C充電器舉例。這種充電器同時(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。集成了所有4個(gè)功率MOSFET，同時(shí)MOSFET Q1和Q4用于檢測(cè)輸入電流和電池充電電流，從而進(jìn)一步最小化系統(tǒng)的解決方案尺寸。這種充電器還可區(qū)分USB端口和適配器，以快速設(shè)置正確的輸入電流限制。另外，充電器可以單獨(dú)工作（即使在系統(tǒng)關(guān)閉的情況下），擁有內(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。這種充電器還具有USB On-the-Go（OTG）功能，其工作在增壓模式下，通過(guò)電池在USB輸入端提供5V、1.3A輸出。

圖4 使用DPM的高效、4A I2C開(kāi)關(guān)式充電器

散熱性能

對(duì)于那些具有超薄外形的便攜式設(shè)備而言，散熱性能至關(guān)重要，因?yàn)橛脩艨梢院苋菀椎馗杏X(jué)到來(lái)自印刷電路板的發(fā)熱情況。這種熱是由一些高功耗組件所產(chǎn)生，例如：電池充電器等。要想解決這個(gè)問(wèn)題，使用高效的充電器和良好的電路板布局非常重要。為了進(jìn)一步提高散熱性能，bq2419x系列產(chǎn)品內(nèi)部使用了一個(gè)熱調(diào)節(jié)環(huán)路。它通過(guò)在器件達(dá)到預(yù)設(shè)結(jié)點(diǎn)溫度時(shí)降低充電電流，來(lái)控制最大結(jié)點(diǎn)溫度。圖5顯示了bq24190設(shè)計(jì)的測(cè)得電池充電效率。使用5V USB輸入時(shí)，它的效率可高達(dá)94%。9V輸入和4A充電電流時(shí)，溫升僅32°C。

圖5 不同充電電流下的測(cè)得電池充電效率

結(jié)論

本文表明，基于輸入電流或者輸入電壓的DPM可用于為便攜式設(shè)備供電，從而在對(duì)電池充電的同時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)瞬時(shí)開(kāi)啟。另外，它還表明，增加電池補(bǔ)充供電模式對(duì)于電源系統(tǒng)性能優(yōu)化至關(guān)重要。我們還討論了其它一些設(shè)計(jì)考慮，例如：如何使用低電量電池實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)系統(tǒng)開(kāi)啟、電池使用時(shí)間、充電通路電阻以及散熱性能等。