探討功率路徑實現(xiàn)方案的折衷權衡
這相當于功率控制;對于充電器來說,系統(tǒng)的優(yōu)先級高于電池。在系統(tǒng)負載關斷時,全部的575mA 電流流向電池,直到電池進入 CV 模式,這時,充電電流開始減小。同樣的,圖3所示電路具有一個優(yōu)點,即在系統(tǒng)和負載之間無功耗組件。
實例2:700mAh 電池 (電池的1C最大充電電流能力 為700mA),輸入電源為5V /900mA 的AC/DC 適配器,或 5V/900mA的USB 3.0
情況A) 在 3.6V和系統(tǒng)負載400mA接通的情況下,部分充電的電池。
在系統(tǒng)負載接通之前,充電器會處于 CC 模式。由于電池電壓為3.6V,故有5V/3.6V•900mA• 91%=1138mA的電流可用于電池充電。然而,電池存在700mA的最大1C充電電流的限制,因此充電器設置為700mA充電。相比實例1,實例2的 獨特之處在于:在1C放電速度的條件下,輸入電源能夠提供的功率比電池能夠接受的更大。當系統(tǒng)負載接通時,400mA轉向系統(tǒng),只剩下300mA為電池充 電。
有些設計人員可能感到這一點并不合意,因為輸入電源沒有充分被利用,達到電池和系統(tǒng)負載能夠接受的總和的程度。一種解決方案是把系統(tǒng)負載與 CSIN 連接,如圖5所示。
圖5. 系統(tǒng)負載與CSIN相連接的應用電路
系統(tǒng)負載與 CSIN 相連接使得 AC/DC 適配器或 USB 電源甚至能夠以比電池的1C級更高的最大功率級來提供電流。在這種配置中,在負載接通之前,電池以 700mA 的1C最大充電能力進行充電。當 400mA的系統(tǒng)負載接通時,整個400mA的系統(tǒng)負載由充電器供電,電池繼續(xù)在 700mA的電流下充電。
這種配置的一個缺點是在電池與系統(tǒng)負載之間的路徑上始終存在一個68m?的耗能串聯(lián)組件。這類似于圖1所示的功率路徑實現(xiàn)方案中的情況,不過,F(xiàn)AN5400中的68m?大大低于某些帶功率路徑的產品中的180m?。
情況B) 在 3.6V和系統(tǒng)負載 2000mA接通的情況下,部分充電的電池。
在系統(tǒng)負載接通之前,充電器會處于 CC 模式,并以700mA的電流為電池充電,與情況 A 類似。當系統(tǒng)負載接通時,如果使用圖3中的配置,由充電器為系統(tǒng)負載提供700mA的電流,其余1300mA 由電池提供。
如果使用圖5中的配置,由充電器為系統(tǒng)負載提供 1138mA 的電流,而其余 862mA 由電池提供。
這兩種配置都相當于功率控制;但在圖5的配置中,所有輸入功率都被使用。這里需要權衡的是電池和系統(tǒng)負載之間的68m?串聯(lián)組件。在兩種配置中,一旦系統(tǒng)負載關斷,700mA都流向電池。
情況C) 在 4.2V和系統(tǒng)負載 400mA 接通的情況下,完全充電的電池。
在系統(tǒng)負載接通之前,充電器是關斷的。當負載接通時,系統(tǒng)功率首先來自于電池。只要VBAT 《 VOREG - VRCH,充電器就會啟動,VRCH 是 再充電閾值,為120mV。由于輸入電源為5V 900mA,充電器能提供的最大可用電流為 5V/4V•900mA•92%=1035mA (這里假設電池電壓降至為4V)。充電器啟動時,充電器試圖以 700mA的充電電流為電池充電。不過,由于系統(tǒng)負載仍然存在,故若采用圖3中的配置,實際上只剩下300mA為電池充電。
如果采用圖5中的配置,當負載接通時,635mA的電流流向電池,由充電器為系統(tǒng)負載提供400mA的電流。而充電器輸出電流共為1035mA,故這是很 好理解的。一旦系統(tǒng)負載關斷,全部700mA電流流向電池直到電池進入CV模式;這時,充電電流減小。需要權衡的是電池和系統(tǒng)負載之間的68m?串聯(lián)組 件。
情況D) 在 4.2V和系統(tǒng)負載 2000mA接通的情況下,完全充電的電池。
在系統(tǒng)負載接通之前,充電器是關斷的。當負載接通時,若采用圖3的配置,功率首先來自于電池,而電池充電器幾乎立即啟動,并進入CC模式。這是因為鋰離子電池一般都有一個150m的輸出阻抗,該阻抗幾乎立刻使 VBAT 《 VOREG - VRCH。就如情況C一樣,充電器試圖以700mA的電流為電池充電。但由于系統(tǒng)負載為2000mA,因此 700mA的電流從充電器流向負載,剩余1300mA的系統(tǒng)負載電流由電池提供。
如果采用圖5的配置,當負載接通時,1035mA的電流從充電器流向負載,剩余965mA的電流由電池提供。當系統(tǒng)負載關斷時,700mA電流流向電池,直到電池進入CV模式,這時,充電電流開始減小。同樣的,這里需要權衡的是電池和系統(tǒng)負載之間的 68m串聯(lián)組件。
為無電池或深度放電的系統(tǒng)供電
在VBUS POR之后,F(xiàn)AN5402 和 FAN5405 利用缺省參數(shù)繼續(xù)充電,把VBAT調節(jié)至3.54V,直到主處理器發(fā)出命令或15分鐘的看門狗定時器到時限。采用這種方法,F(xiàn)AN5402/05 在無電池下也能夠啟動系統(tǒng)。
不過,在電池深度放電的情況下,電池電壓低于系統(tǒng)負載所需的供電電壓,圖3和圖5的功率路徑實現(xiàn)方案無法啟動系統(tǒng)。
相反,即使在電池電壓大大低于系統(tǒng)負載工作所需電壓時,圖1中實現(xiàn)的功率路徑仍然能夠為系統(tǒng)供電。這是圖1電路與FAN5400相比的主要優(yōu)勢。不過,很重要的一點是,放電周期內的曲線斜度必需極為陡峭,這意味著在數(shù)秒內電池電壓就能夠上升到滿足最小系統(tǒng)負載要求的水平。
圖6所示為充電的周期行為,為一個普通電池充電至穩(wěn)定的 3.4V 所需的時間為 40 秒鐘。這個過程的解釋如下。
(A) 當VBAT 》 3.4V時,處理器被喚醒,這種情況在 VBUS 插入大約 15 秒鐘后出現(xiàn)。
(B) 在處理器對 IC 程序設計以獲得更大充電電流后約 1 秒鐘,電池保護 FET 關斷。這會造成 VBAT下降 (不再有 FET 體二極管與 VBAT 串聯(lián))。
圖6. 深度放電電池的電荷特性
總結
在電池電量極低或深度放電時,圖 2 所示的 FAN540X 部分功率路徑雖然也會出現(xiàn)無法立即為系統(tǒng)負載供電的情況,但對普通手機電池來說這只是 40秒而已。在這一缺點與 FAN540X 提供的優(yōu)勢之間進行權衡是很重要的。本文詳細討論了這種優(yōu)勢,結果顯示如圖 3 所配置的 FAN5400在電池和系統(tǒng)負載之間沒有耗能串聯(lián)組件,而且能夠提供兩個更重要的動態(tài)功率路由優(yōu)點:系統(tǒng)與電池之間功率共享;以及為無電池的系統(tǒng)供電。
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