靜態(tài)電源路徑管理(SPPM)為手持設(shè)備提供了有效的電池充電器方案

　　無(wú)論是做什么用途，或制造商是誰(shuí)，手持式電子設(shè)備都有一個(gè)共同的特性：一個(gè)可充電的電池，多數(shù)情況下還有一個(gè)內(nèi)建的充電電路。當(dāng)一個(gè)AC適配器這樣的外部電源或一個(gè)USB端口接到手持設(shè)備的輸入端，充電電路將對(duì)電池充電。當(dāng)接到外部電源時(shí)，如果設(shè)備正處在開(kāi)機(jī)狀態(tài)，理想的情形是，設(shè)備應(yīng)當(dāng)從外部電源汲取盡可能多的功率，以節(jié)省電池壽命。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能則需要一個(gè)自動(dòng)的電源選擇電路，這個(gè)電路通常是集成在充電控制IC內(nèi)。設(shè)計(jì)者可以從動(dòng)態(tài)或靜態(tài)電源路徑管理當(dāng)中選擇其中的一種，進(jìn)行電源管理。

　　在電池供電的手持設(shè)備中，動(dòng)態(tài)電源路徑管理(DPPM)是更流行的機(jī)制。DPPM功能框圖如圖1所示。主通路元件QMAIN是一個(gè)電壓穩(wěn)壓器，提供一個(gè)經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓的輸出電壓VOUT。第二個(gè)通路元件QCharge是充電控制元件，由VOUT供電，提供恒定的電流或恒定的電壓對(duì)電池充電。在充電期間，如果輸出電流超過(guò)電源的電流限值，QCharge就會(huì)變成一個(gè)開(kāi)關(guān)，將電池連到系統(tǒng)上，提供一部分所需的輸出電流。

　　DPPM有幾個(gè)好處。首先，當(dāng)電池完全放電時(shí)(電池耗盡的情況)，DPPM能讓外部電源立刻給設(shè)備供電。如果沒(méi)有電源路徑管理，在電量耗盡的電池被充電到系統(tǒng)能夠啟動(dòng)的電壓等級(jí)之前(一般是高于3V)，系統(tǒng)是無(wú)法上電的。這個(gè)等待周期取決于充電電路的涓流充電設(shè)定，可能是幾分鐘到十分鐘的時(shí)間。其次，當(dāng)用外部電源對(duì)電池充電時(shí)，DPPM會(huì)把來(lái)自外部電源的電流分到兩個(gè)路徑中，一條路徑為手持設(shè)備提供必要的功率，另一條路徑輸出充電電流，來(lái)給電池充電。當(dāng)外部電源的輸入電流達(dá)到限值時(shí)，電源路徑管理會(huì)對(duì)輸入到手持系統(tǒng)的電流進(jìn)行優(yōu)先級(jí)分類(lèi)。這樣如果當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，電池正在充電，電池可以在最短的時(shí)間內(nèi)充滿(mǎn)，因?yàn)閯?dòng)態(tài)控制的充電電流是為這個(gè)目標(biāo)而優(yōu)化的。當(dāng)外部電源被移走時(shí)，QCharge立刻完全打開(kāi)，把電池連到系統(tǒng)上，向系統(tǒng)輸出所需的全部功率。

　　圖1，動(dòng)態(tài)電源路徑管理框圖

　　但DPPM機(jī)制有一些限制。第一種情況是，當(dāng)系統(tǒng)電流發(fā)生快速瞬變時(shí)，電壓會(huì)下降。這種情況如果發(fā)生在電池充電期間，如果系統(tǒng)電流處在突發(fā)方式下，輸出端的負(fù)載電流會(huì)周期性地迅速?gòu)慕咏闵叩?A以上。由于這個(gè)電流超過(guò)了輸入電源的最大容量，充電FET不得不將電流反向，提供一部分的突發(fā)電流。由于電流反向需要一定的時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)，輸出電壓會(huì)降低，導(dǎo)致電流產(chǎn)生畸變，如圖2所示。第二各限制條件是IC設(shè)計(jì)的成本和復(fù)雜度，因?yàn)橛蓛蓚€(gè)通路元件需要調(diào)節(jié)。一個(gè)元件調(diào)節(jié)到系統(tǒng)的輸出電壓，另一個(gè)調(diào)節(jié)對(duì)電池充電的電壓或電流。

　　圖2，靜態(tài)電源路徑管理的瞬態(tài)電流響應(yīng)

　　靜態(tài)電源路徑管路

　　靜態(tài)電源路徑管理(SPPM)是一個(gè)簡(jiǎn)化的解決辦法，能達(dá)到上面提到的第一個(gè)目標(biāo)，不會(huì)出現(xiàn)電壓下降的情況。然而，它沒(méi)法解決第二個(gè)問(wèn)題，即區(qū)分系統(tǒng)和充電電流的優(yōu)先級(jí)。

　　SPPM機(jī)制的概念如圖3所示。主FET QMAIN是充電控制器元件。開(kāi)關(guān)SW1連接電池和系統(tǒng)。當(dāng)電池電壓高于VPPM閾值(系統(tǒng)的最小工作電壓，一般是3.2V)，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，無(wú)論外部電源存在與否，電池都會(huì)連到系統(tǒng)。這樣，當(dāng)系統(tǒng)突然汲取電流時(shí)，由于開(kāi)關(guān)已經(jīng)處在導(dǎo)通狀態(tài)，電池能夠隨時(shí)提供系統(tǒng)所需的電流。這樣就解決了電壓降和電流畸變問(wèn)題，如圖5所示。由于在設(shè)計(jì)中僅需要一個(gè)調(diào)整元件對(duì)電池的充電電壓或電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，IC設(shè)計(jì)成本和復(fù)雜度也降低了。如果需要極低阻抗的開(kāi)關(guān)，圖3中的開(kāi)關(guān)SW1可以放到IC外面來(lái)實(shí)現(xiàn)，進(jìn)一步降低成本。

　　如果電池電壓低于VPPM的閾值，SW1就開(kāi)啟，VOUT將變成4.2V的恒壓源，向系統(tǒng)供電。與此同時(shí)，50mA的恒流源ITRKL被激活，在涓流模式下對(duì)電池充電，直到電壓達(dá)到VPPM閾值(有一定滯后)，然后SW1會(huì)關(guān)閉，電池就連到系統(tǒng)上。這樣就解決了沒(méi)電電池的啟動(dòng)問(wèn)題。

　　由于SPPM解決在電池沒(méi)電情況下的系統(tǒng)啟動(dòng)問(wèn)題，對(duì)于手持式應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這是一種很有吸引力的電池充電器解決方案。

　　圖3，靜態(tài)電源路徑管理框圖

　　圖4，靜態(tài)電源路徑管理控制流程

　　圖5，靜態(tài)電源路徑管理的瞬態(tài)電流響應(yīng)