動態(tài)電源路徑管理的電池充電系統(tǒng)設(shè)計考慮因素

一種解決方案是增加適配器額定功率，但這會增加適配器的尺寸和成本。另一種方案是除適配器提供的有效功率以外再為系統(tǒng)補(bǔ)充額外功率，以對電池臨時放電。因此，電池會開啟MOSFET Q4來提供額外功率，從而實(shí)現(xiàn)電池放電而充電。組合使用DPM控制和電池補(bǔ)充功率模式，可實(shí)現(xiàn)對適配器的優(yōu)化，以支持平均功率而非最大峰值系統(tǒng)功率，達(dá)到降低成本和實(shí)現(xiàn)最小解決方案尺寸的目的。

提高系統(tǒng)性能設(shè)計考慮

一些便攜式電源系統(tǒng)，例如：平板電腦和智能電話等，要求具有一種“快速開機(jī)”功能，以提升用戶體驗(yàn)。這就意味著，不客電池是完全充電還是深度放電，當(dāng)連接適配器時系統(tǒng)都要能夠快速開啟。

讓我們來回顧圖1-2所示系統(tǒng)，并使用一個單節(jié)鋰離子電池系統(tǒng)作為舉例。如果在不使用MOSFET Q4的情況下將電池直接連接至系統(tǒng)，VBUS的系統(tǒng)總線電壓與電池電壓相同。一塊電壓為3V的深度放電電池，其電壓不足以開啟系統(tǒng)。終端用戶需要等電池充電至3.4V之后，才能開啟系統(tǒng)。為了支持系統(tǒng)快速開機(jī)，需要添加一個MOSFET Q4，讓系統(tǒng)在線性模式下工作，以維持最小系統(tǒng)工作電壓，并同時對深度放電的電池充電。最小系統(tǒng)電壓由開關(guān)式轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)，而充電電流則由LDO模式通過控制MOSFET Q4來調(diào)節(jié)。一旦電池電壓達(dá)到最小系統(tǒng)工作電壓，MOSFET Q4便完全開啟。它的充電電流通過同步降壓轉(zhuǎn)換器的占空比調(diào)節(jié)。因此，系統(tǒng)電壓始終維持在最小系統(tǒng)工作電壓和驅(qū)動系統(tǒng)的最大電池電壓之間。

如何延長電池工作時間呢?當(dāng)然，電池容量越高，電池工作時間也就越長。就單節(jié)電池供電系統(tǒng)而言，典型的最小系統(tǒng)電壓為3.4V左右，以達(dá)到系統(tǒng)所要求的3.3V輸出。如果 MOSFET Q4的導(dǎo)通電阻為50 mΩ，并且電池放電電流為3A，則電池終止電壓為3.55V。這就意味著15% 以上的電池容量未用，殘留在電池中。為了最大化電池工作時間，MOSFET Q4 的導(dǎo)通電阻必須設(shè)計的盡可能地小，例如：10 mΩ。

圖3顯示了一個使用集成MOSFET的高效、單節(jié)電池I2C電池充電器舉例。該充電器同時支持USB和AC適配器輸入，適用于平板電腦和便攜式媒體設(shè)備應(yīng)用。同時集成了4個功率MOSFET，而MOSFET Q1和Q4用于檢測輸入電流和電池充電電流，目的是進(jìn)一步最小化系統(tǒng)解決方案尺寸。這種充電器可以檢測到USB和適配器電源之間的切換，以快速建立正確的輸入電流限制。另外，充電器還可以作為一個單獨(dú)的充電器使用內(nèi)部默認(rèn)充電電流、充電電壓、安全計時器和輸入電流限制對電池充電—即使系統(tǒng)為關(guān)閉狀態(tài)。它還擁有USB OTG功能，可讓充電器工作在增壓模式下，通過電池為USB輸入端提供5V/1.3A輸出。

圖3:使用動態(tài)電源管理的4A I2C高效開關(guān)模式充電器

對于一些超薄設(shè)計的便攜式設(shè)備來說散熱性能至關(guān)重要，因?yàn)橛脩艉苋菀妆隳芨杏X到PCB電路板的發(fā)熱情況。為了克服這個缺點(diǎn)，使用優(yōu)化的高效、優(yōu)秀布局設(shè)計非常重要。要想進(jìn)一步提高熱性能，需使用一個熱調(diào)節(jié)環(huán)路。一旦達(dá)到預(yù)定義的結(jié)溫，它便通過降低充電電流來確保不超出最高結(jié)溫。圖4顯示了測量得到的電池充電效率。利用5V USB輸入，可以獲得高達(dá)94%的效率。9V輸入和4A充電電流時，溫度僅升高了32℃。

圖4:不同充電電流的測得電池充電效率

總結(jié)

電池補(bǔ)充模式的動態(tài)電源管理對于電池充電系統(tǒng)性能優(yōu)化至關(guān)重要。輸入電流和輸入電壓型DPM均用于在對電池充電的同時為系統(tǒng)供電，并提供快速開機(jī)功能。另外，本文還討論了電池工作時間和熱性能等重要設(shè)計考慮因素。