基于bq24161+TPS2419 雙電池供電方案的設(shè)計(jì)分析

摘要

隨著便攜式終端產(chǎn)品處理能力的不斷提升以及功能的不斷豐富，終端產(chǎn)品的功耗也越來(lái)越大，因此待機(jī)時(shí)間就成為產(chǎn)品的關(guān)鍵性能指標(biāo)之一。由于便攜式終端設(shè)備受到體積的限制，不能簡(jiǎn)單地通過(guò)不斷增加單節(jié)鋰電池容量來(lái)延長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間，因此主電池+備電池的雙電池供電方案不啻成為延長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間的優(yōu)選方案。本文介紹了基于充電管理芯片bq24161 以及ORing 控制芯片TPS2419 的雙電池供電方案的設(shè)計(jì)，文中分析了雙電池供電方案的設(shè)計(jì)要求，給出了設(shè)計(jì)框圖以及原理圖，在此基礎(chǔ)上分析了充電管理電路、ORing 電路的具體設(shè)計(jì)方法，并且詳細(xì)分析了各部分電路的工作原理。基于所設(shè)計(jì)的電路，對(duì)其供電可靠性等性能指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試內(nèi)容包括在靜態(tài)負(fù)載電流以及動(dòng)態(tài)負(fù)載電流條件下，備電插入、拔出過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)供電可靠性的測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明：該方案能夠在備電插入、拔出過(guò)程中保證系統(tǒng)供電的可靠性，并且能夠?qū)Τ潆姽芾黼娐愤M(jìn)行靈活管理，是一個(gè)適合于多種終端設(shè)備的雙電池供電解決方案。

1 概述

當(dāng)今智能手機(jī)、便攜式路由器等便攜式終端產(chǎn)品正朝著體積更小、厚度更薄以及重量更輕的趨勢(shì)發(fā)展。但是隨著便攜式終端產(chǎn)品處理能力的不斷提升以及功能的不斷豐富，其功耗卻越來(lái)越大。在電池技術(shù)沒(méi)有得到突破之前，主電池+備電池的雙電池解決方案就成為延長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間較好的方案。主電池設(shè)計(jì)在機(jī)殼內(nèi)部，處于常在的狀態(tài)，備電設(shè)計(jì)在機(jī)殼外部，可以隨意拔插?；谥麟姵?備電池的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，雙電供電方案的設(shè)計(jì)要求主要包括以下兩個(gè)方面：

1) 備電池在拔插過(guò)程中要保證系統(tǒng)供電的可靠性;

2) 備電池通路與主電池通路之間不會(huì)相互影響;

3) 對(duì)主電池以及備電池可以進(jìn)行靈活的充電管理。

圖1 給出了基于bq24161+TPS2419 的雙電池供電方案的設(shè)計(jì)框圖。主電池與備電池的充電管理分別由兩片充電管理芯片bq24161 進(jìn)行單獨(dú)控制。bq24161 是高集成度的帶有動(dòng)態(tài)路徑管理功能(DPPM)的單節(jié)鋰電池充電管理芯片。主處理器與 bq24161 通過(guò) 總線進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)主電池以及備電池的充電管理，其中包括對(duì)充電電流、充電電壓、狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制等功能的靈活控制。TPS2419 是適用于N+1 供電系統(tǒng)的ORing 電路控制器，它與低導(dǎo)通電阻N 溝道MOSFET 配合使用， 在獲得MOSFET 高效性能的同時(shí)，也提供了ORing 二極管反向電流保護(hù)功能。TPS2419 通過(guò)對(duì)電源電壓以及系統(tǒng)電壓的檢測(cè)來(lái)打開(kāi)或者關(guān)斷對(duì)應(yīng)通路MOSFET。一方面TPS2419 及時(shí)打開(kāi)MOSFET 可以保證電源對(duì)系統(tǒng)供電的及時(shí)性和可靠性，另外一方面TPS2419迅速關(guān)斷MOSFET 可以防止及減小系統(tǒng)電壓到輸入端電源的反灌電流。ORing 電路冗余設(shè)計(jì)的特性保證了主電池與備電池電源通路互為備用的同時(shí)，也保證了備電插拔過(guò)程中系統(tǒng)電壓的安全性及可靠性。

圖 1 基于bq24161+TPS2419 的雙電池供電方案框圖

2 電路設(shè)計(jì)方法分析

2.1 電路設(shè)計(jì)原理圖

圖2 基于bq24161+TPS2419 的雙電池供電方案原理圖

電路原理圖中U1、U2 是充電管理芯片bq24161，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)主電池以及備電池的充電管理功能。U3、U4 是ORing 控制器TPS2419，實(shí)現(xiàn)主電池電源通路與備電池電源通路互為備用的雙電源供電結(jié)構(gòu)。

充電管理芯片bq24161 具有適配器檢測(cè)的功能，可以檢測(cè)到適配器的插入或者拔出。當(dāng)插入電源適配器或者USB 充電線后，bq24161 會(huì)有相應(yīng)的標(biāo)志寄存器置位，由于默認(rèn)配置下IN 輸入通道相對(duì)于USB 輸入通道享有更高的優(yōu)先級(jí)，因此電流會(huì)從IN 輸入通道提供。Host 可以通過(guò)I2C 接口讀取U1、U2 充電管理芯片內(nèi)部寄存器的信息，并且通過(guò)I2C 接口實(shí)現(xiàn)對(duì)主電、備電充電管理的靈活控制。在使能充電之前需要配置的參數(shù)包括充電電壓、充電電流、充電終止電流、輸入限流、VIN-DPM的門檻值等。

Host 主機(jī)根據(jù)具體的需求控制U1、U2 充電使能或終止，可以同時(shí)使能主電、備電的充電，也可以控制主電、備電的充電優(yōu)先級(jí)。當(dāng)同時(shí)使能主電、備電的充電，如果適配器的輸入電流能力能夠同時(shí)滿足主電、備電充電的需求，那么U1、U2 可以按照配置的充電電流給主電、備電同時(shí)充電。如果電源適配器的電流不能同時(shí)滿足充電的需求，bq24161 的VIN-DPM功能就會(huì)被激活，會(huì)自動(dòng)減小輸入限流點(diǎn)以保證輸入電壓穩(wěn)定在所設(shè)置的VIN-DPM的門檻電壓，內(nèi)部寄存器DPM_STATUS 位也會(huì)置位，此時(shí)主、備電的充電電流都不能達(dá)到設(shè)定的值，此時(shí)Host 主機(jī)可以控制主電、備電的優(yōu)先級(jí)，比如關(guān)斷備電充電讓主電先充電，主電充電完成后備電再開(kāi)始充電。

U3、U4 是ORing 控制器TPS2419，實(shí)現(xiàn)主電與備電互為備用的雙電源供電結(jié)構(gòu)。當(dāng)備電作為系統(tǒng)供電電源時(shí)，在備電突然拔出的條件下，U3 能夠迅速打開(kāi)主電通路以保證系統(tǒng)電壓的可靠性。當(dāng)電壓較高的備電突然插入時(shí)，U4 會(huì)打開(kāi)備電源通路，由備電提供系統(tǒng)供電。