如何為我們的應(yīng)用選擇合適的線性充電器

1.前言

隨著電子設(shè)備變得更加智能并具有更多內(nèi)置功能，它們變得更有吸引力但也更耗電，這使得充電電池成為明顯的經(jīng)濟(jì)選擇。近年來，隨著創(chuàng)新應(yīng)用、新興技術(shù)和新電池化學(xué)物質(zhì)的出現(xiàn)，對(duì)充電器的要求不斷發(fā)展。例如，智能銀行卡、智能服裝和醫(yī)療貼片等可穿戴設(shè)備領(lǐng)域的新應(yīng)用正在推動(dòng)更小、更便宜的解決方案，以及更小、更高功率密度的電池。

設(shè)計(jì)師的典型問題或顧慮包括：“我怎樣才能最大限度地延長電池運(yùn)行時(shí)間？” “如何延長產(chǎn)品的保質(zhì)期？” “電池是否有可能過度放電？” “如果電池丟失或有缺陷會(huì)怎樣？” “如何讓我的產(chǎn)品與弱適配器一起工作？” 和“我可以為不同的設(shè)計(jì)和不同的電池使用相同的充電器嗎？” 

2.電源路徑

電源路徑功能在充電器內(nèi)部增加了一個(gè)開關(guān)，從而啟用單獨(dú)的輸出來為系統(tǒng)供電并為電池充電。這種架構(gòu)帶來了很多其他特性，但讓我們先看看圖 1，它顯示了一個(gè)沒有電源路徑的簡(jiǎn)單線性充電器。系統(tǒng)輸入端和電池端連接到同一個(gè)充電器輸出節(jié)點(diǎn)。這種非電源路徑架構(gòu)因其簡(jiǎn)單性和小解決方案尺寸而廣受歡迎；示例包括bq24040 和bq25100電池充電器。圖 2 顯示了 bq25100 的評(píng)估模塊 (EVM)。

圖 1：簡(jiǎn)單的非電源路徑線性充電器圖

圖 2：bq25100 EVM

然而，這種架構(gòu)有一些限制。充電器輸出、電池端子和系統(tǒng)輸入都連接在同一點(diǎn)。在深度放電甚至有缺陷的電池的情況下，即使連接外部電源也可能無法為系統(tǒng)供電。電池需要充電到一定的電壓水平，系統(tǒng)才能啟動(dòng)。因此，如果產(chǎn)品的電池深度放電，最終用戶可能會(huì)在插入適配器時(shí)認(rèn)為整個(gè)系統(tǒng)已經(jīng)死機(jī)，但由于系統(tǒng)無法啟動(dòng)而沒有任何反應(yīng)。如果產(chǎn)品實(shí)際上有一個(gè)有缺陷的電池，系統(tǒng)可能永遠(yuǎn)不會(huì)通電。對(duì)于帶有可拆卸電池的產(chǎn)品，可以使用不同的電池組取出并更換有缺陷的電池。但如果電池嵌入設(shè)備中，

這種架構(gòu)的另一個(gè)問題是充電器只檢測(cè)進(jìn)入電池和系統(tǒng)的總電流。如果系統(tǒng)正在運(yùn)行，充電器如何確定電池電流是否已達(dá)到終止水平？

解決所有這些問題的方法非常簡(jiǎn)單——我們只需在系統(tǒng)輸入和電池端子之間添加另一個(gè)開關(guān)即可。圖 3 顯示了電源路徑線性充電器架構(gòu)。除了 Q1 場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 將電流從外部源引入外，必要時(shí)再添加一個(gè)開關(guān) (Q2) 可將電池與系統(tǒng)分離。系統(tǒng)始終具有輸入電源的優(yōu)先權(quán)，并在最終用戶插入適配器時(shí)立即開啟。如果適配器有額外的電力來支持系統(tǒng)負(fù)載，則電池可以充電。

圖 3：電源路徑線性充電器圖

這種方法還允許充電器獨(dú)立監(jiān)控進(jìn)入電池的充電電流（與從適配器汲取的總電流相反），以允許正確終止并檢查任何故障情況。

該bq24072器件系列包括單機(jī)功率路徑線性充電器。bq25120A 是一款集成度更高的新型器件。除了電源路徑線性充電器外，它還集成了一個(gè) DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換器、一個(gè) LDO、按鈕控制器和 I2C 接口，以實(shí)現(xiàn)客戶可編程性。

運(yùn)輸方式

運(yùn)輸模式通常是設(shè)備的最低靜態(tài)電流狀態(tài)。制造商在產(chǎn)品出廠前立即啟用此狀態(tài)，以最大限度地延長保質(zhì)期，因此希望最終用戶收到產(chǎn)品時(shí)電池不會(huì)耗盡。運(yùn)輸模式電路通過關(guān)閉電源路徑充電器中的 Q2 基本上斷開電池，以防止電池泄漏到系統(tǒng)中。當(dāng)最終用戶第一次打開產(chǎn)品時(shí)，Q2 重新打開并且電池連接到系統(tǒng)。

動(dòng)態(tài)電源路徑管理 (DPPM)

DPPM 是電源路徑設(shè)備的另一個(gè)功能。它監(jiān)控設(shè)備的輸入電壓和電流，并在適配器無法支持系統(tǒng)負(fù)載時(shí)自動(dòng)優(yōu)先考慮系統(tǒng)。輸入源電流在系統(tǒng)負(fù)載和電池充電之間共享。如果系統(tǒng)負(fù)載增加，此功能會(huì)降低充電電流。當(dāng)系統(tǒng)電壓下降到某個(gè)閾值時(shí)，電池可以停止充電，而是對(duì)電池進(jìn)行放電以補(bǔ)充系統(tǒng)電流需求。實(shí)施此功能可防止系統(tǒng)崩潰。

輸入電壓動(dòng)態(tài)電源管理 (VIN-DPM)

通常與 DPPM 混淆的另一個(gè)功能是 VIN-DPM。這種機(jī)制聽起來可能非常相似，但重點(diǎn)卻大不相同。輸入電源或適配器具有額定功率。在某些情況下，輸入電源沒有足夠的功率來滿足設(shè)備的需求。設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在通過不同的 USB 標(biāo)準(zhǔn)更常見地看到這一點(diǎn)。正在充電的設(shè)備可能需要使用各種（甚至未知的）適配器類型。如果輸入源過載并導(dǎo)致輸入電壓低于欠壓鎖定 (UVLO) 閾值，器件將關(guān)閉并停止充電。電源負(fù)載消失，適配器恢復(fù)。其電壓回升至 UVLO 以上并重新開始充電，但適配器立即再次過載并崩潰。這種不良情況稱為“打嗝模式”。

圖 4：打嗝模式

VIN-DPM 功能解決了這個(gè)問題，因?yàn)樗掷m(xù)監(jiān)控充電器的輸入電壓。如果輸入電壓低于某個(gè)閾值，VIN-DPM 將調(diào)節(jié)充電器以減少輸入電流負(fù)載，從而防止適配器崩潰。

現(xiàn)在我們可以看到 VIN-DPM 和 DPPM 實(shí)際上是兩個(gè)截然不同的功能。VIN-DPM 監(jiān)控適配器的輸出（或充電器的輸入）并將其保持在一定水平。DPPM 監(jiān)控充電器輸出（或系統(tǒng)軌）并將其保持在最低預(yù)定水平。這兩個(gè)功能可以很好地協(xié)同工作，以允許在不同的操作條件下平穩(wěn)運(yùn)行。并非所有充電器都具有這兩種功能。我們也可以在非電源路徑充電器上實(shí)施 VIN-DPM。