探討功率路徑實(shí)現(xiàn)方案的折衷權(quán)衡

為滿足諸多系統(tǒng)需求，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jī)/平板電腦等設(shè)備中的充電器IC，用于把AC/DC適配器 (或USB) 的功率轉(zhuǎn)換為適合于電池充電的形式。最近，充電器IC的受關(guān)注焦點(diǎn)是高效開(kāi)關(guān)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(guò)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(shí)現(xiàn)方案。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員因此可能困擾于如何在不同方案之間進(jìn)行權(quán)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(shì)：

1. 系統(tǒng)與電池之間功率共享

2. 為無(wú)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(gè)使用“理想”二極管的功率路徑的典型實(shí)現(xiàn)方案。電流由箭頭標(biāo)識(shí)，可看出“理想”二極管 (不論是內(nèi)部還是外部) 有助于電流的適當(dāng)控制。

圖1. 采用“理想二極管”的功率路徑實(shí)現(xiàn)方案

這個(gè)實(shí)現(xiàn)方案雖然能夠滿足功率路徑的標(biāo)準(zhǔn)，但實(shí)際上二極管不可能是真正“理想”的。例如，一塊這樣的 IC 的內(nèi)部二極管實(shí)際上是一個(gè)電阻值一般為 180m? 的 PMOS，這意味著電池與系統(tǒng)負(fù)載之間始終存在一個(gè) 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(huì)產(chǎn)生相當(dāng)可觀的額外功耗。采用并聯(lián) PMOS 開(kāi)關(guān)可以減小這個(gè)阻抗值，但同時(shí)也會(huì)增加解決方案的尺寸和成本。

圖2的實(shí)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(lái)似乎沒(méi)有功率路徑功能性，但事實(shí)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(fù)載和電池之間沒(méi)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(shí)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(shí)會(huì)讓人感到混淆，故下面給出了基于真實(shí)電池容量和輸入電源數(shù)目的實(shí)際情況。

圖3. 典型應(yīng)用電路，系統(tǒng)與電池并聯(lián)

實(shí)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(fù)載400mA接通的情況下，部分充電的電池。

在系統(tǒng)負(fù)載接通之前，充電器已經(jīng)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(gè)數(shù)值是考慮到充電器轉(zhuǎn)換效率以及降低電壓時(shí)獲得的輸出電流倍增因子而計(jì)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(jù)點(diǎn)。

圖4. FAN5400 的轉(zhuǎn)換效率與電池電壓及VBUS電壓的關(guān)系

當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載接通時(shí)，400mA的電流轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，只剩下232mA用于電池充電。這就相當(dāng)于功率控制(power steering);對(duì)于充電器來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)的優(yōu)先級(jí)高于電池。在系統(tǒng)負(fù)載關(guān)斷時(shí)，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(diǎn)在于系統(tǒng)和負(fù)載之間沒(méi)有耗能串聯(lián)組件。

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

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

這相當(dāng)于功率控制;對(duì)于充電器來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)的優(yōu)先級(jí)高于電池。在系統(tǒng)負(fù)載關(guān)斷時(shí)，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(gè)優(yōu)點(diǎn)，即在系統(tǒng)和負(fù)載之間無(wú)耗能組件。

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

在系統(tǒng)負(fù)載接通之前，充電器是關(guān)斷的。當(dāng)負(fù)載接通時(shí)，所有系統(tǒng)功率首先來(lái)自于電池。一旦VBAT 《 VOREG - VRCH，充電器便會(huì)啟動(dòng)。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(shè)電池電壓為4V)。充電器啟動(dòng)時(shí)，充電器的充電電流應(yīng)該為 575mA。不過(guò)，由于系統(tǒng)負(fù)載仍然存在，實(shí)際上只有 575mA-400mA=175mA 流入電池。

這相當(dāng)于功率控制;對(duì)于充電器來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)的優(yōu)先級(jí)高于電池。在系統(tǒng)負(fù)載關(guān)斷時(shí)，全部的 575mA電流流向電池，直到電池進(jìn)入CV模式，這時(shí)，充電電流開(kāi)始減小。同樣的，圖3所示電路具有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即在系統(tǒng)和負(fù)載之間無(wú)耗能組件。

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

在系統(tǒng)負(fù)載接通之前，充電器是關(guān)斷的。當(dāng)負(fù)載接通時(shí)，功率首先來(lái)自于電池，而電池充電器幾乎立即啟動(dòng)，并進(jìn)入CC模式。這是因?yàn)殇囯x子電池一般都有一個(gè)150m??的輸出阻抗，這個(gè)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(shí)際上會(huì)稍高于 575mA，因?yàn)檫@種情況中電池電壓比情況 C 的低，且倍增因子略高。不過(guò)，由于這是演示實(shí)驗(yàn)，所以可以忽略不考慮)。充電器試圖充電，但由于系統(tǒng)負(fù)載為2000mA，575mA 的電流流向負(fù)載，剩余1425mA的系統(tǒng)負(fù)載電流由電池提供。