動態(tài)電源管理，實現(xiàn)更快速、更高效的電池充電

引言

隨著對于新興便攜式設備(例如：平板電腦和智能電話等)需求的快速增長，在如何提高電池供電型系統(tǒng)性能方面出現(xiàn)了許多新的挑戰(zhàn)。電池管理系統(tǒng)必須能夠智能地支持不同類型的適配器和電池化學成份，并且必須擁有高效的快速充電能力。與此同時，提供良好的用戶體驗也非常重要，例如：系統(tǒng)瞬間開啟、更長的電池使用時間以及快速充電等。本文將討論如何通過動態(tài)電源管理(DPM)實現(xiàn)快速電池充電和提高電池充電性能。DPM幫助避免系統(tǒng)崩潰，并可最大化適配器的可用功率。它可以基于輸入電流或者輸入電壓，或者與電池補充供電模式一起組合使用。本文還會介紹一些延遲電池使用時間的重要設計考慮。

鋰離子(Li-Ion)電池對于便攜式設備不斷增長的電力需求來說是一種理想選擇，因為它擁有非常高的能量密度。今天，一部10英寸屏幕的平板電腦，通常會使用一塊6到10Ah容量的電池組來提供更長的工作時間。利用高容量電池，便攜式設備便可擁有快速、高效的充電能力，從而實現(xiàn)良好的用戶體驗。另外，平板電腦還要求具備其它一些功能，例如：優(yōu)異的散散熱性能和瞬間開機的能力(即使在電池被深度放電的情況下)。這些要求帶來了許多技術挑戰(zhàn)。一個挑戰(zhàn)是，如何在不使電源崩潰的同時，最大化電源的可用功率，以高效和快速地對電池充電。另一個挑戰(zhàn)是，如何在系統(tǒng)工作的同時對深度放電的電池進行充電。最后一個挑戰(zhàn)是，如何延遲電池使用時間和提高散熱性能。

動態(tài)電源管理(DPM)

如何最大化可用功率，對電池進行快速、高效的充電?所有電源都其輸出電流或者功率限制。例如，高速USB(USB 2.0)端口的最大輸出電流限定在500mA，而超高速USB(USB 3.0)端口的最大輸出電流為900mA。如果系統(tǒng)的功率需求超出電源能夠提供的功率，則電源會崩潰。電池充電時，如何在使功率輸出最大化的同時防止電源崩潰呢?下面，我們介紹3種控制方法：基于輸入電流的DPM，基于輸入電壓的DPM，以及與電池補充供電模式一起使用的DPM。

基于輸入電流的DPM

圖1顯示了使用DPM控制的高效開關模式充電器。MOSFET Q2及Q3與電感器L組成了一個同步開關降壓型電池充電器。使用一個降壓轉(zhuǎn)換器，可確保有效轉(zhuǎn)換適配器的輸入功率，以實現(xiàn)更快速的電池充電。MOSFET Q1用作一個電池反向阻塞MOSFET，用于防止電池到輸入的漏電流通過MOSFET Q2的體二極管。另外，它還起到一個輸入電流檢測器的作用，以監(jiān)測適配器電流。

圖1　基于輸入電流的DPM

MOSFET Q4用于主動監(jiān)測和控制電池充電電流，以實現(xiàn)DPM功能。當輸入功率足以支持系統(tǒng)負載和電池充電時，使用理想的充電電流值ICHG來對電池充電。如果系統(tǒng)負載(ISYS)突然增加且其總適配器電流達到限流設置(IREF)，則輸入電流調(diào)節(jié)環(huán)路主動調(diào)節(jié)，并使輸入電流保持在預定義IREF輸入基準電流上。給予更高的優(yōu)先權為系統(tǒng)供電，以讓其達到最高性能，并同時降低充電電流，這樣便可實現(xiàn)上述目標。因此，我們始終可以在輸入功率電源不崩潰的同時最大化輸入功率，并且讓可用功率動態(tài)地在系統(tǒng)和電池充電之間共用。

基于輸入電壓的DPM

如果一個第三方電源插入系統(tǒng)，而系統(tǒng)卻無法識別其電池限制，則難以根據(jù)輸入電流限制來使用DPM。這種情況下，我們可以使用基于輸入電壓的DPM(圖2)。電阻分壓器R1和R2用于檢測輸入電壓，然后饋給輸入電壓調(diào)節(jié)環(huán)路的誤差放大器。同樣，如果系統(tǒng)負載增加，致使輸入電流超出適配器的電流限制，則適配器電壓開始下降，并最終達到預設的最小輸入電壓。輸入電壓調(diào)節(jié)環(huán)路被激活，以讓輸入電壓維持在預設水平。通過自動降低充電電流以便讓來自輸入功率電源的總電流達到其最大值(電源不崩潰)，可以完成這項工作。因此，系統(tǒng)可以追蹤適配器的最大輸入電流。設計輸入電壓調(diào)節(jié)的目的是，讓電壓保持足夠高，以便對電池完全充電。例如，可把電壓設置為4.35V左右，以對一塊單節(jié)鋰離子電池組完全充電。[!--empirenews.page--]

圖2 基于輸入電壓的DPM

電池補充供電模式

基于輸入電流或者輸入電壓的DPM可在電源不崩潰的情況下從適配器獲得最大功率。對于一些便攜式設備而言，例如：智能電話和平板電腦等，系統(tǒng)負載通常是動態(tài)的，并且有高脈沖電流。即使是充電電流已降至零，如果出現(xiàn)脈沖電流的系統(tǒng)的峰值功率高于輸入功率怎么辦?如果不主動控制，則輸入功率電源可能會崩潰。

一種解決方案是，增加適配器的額定功率，但這會增加適配器的體積和成本。另一種解決方案是，開啟MOSFET Q4對電池放電而非充電，從而暫時性地為系統(tǒng)提供更多的功率。組合運用DPM控制和電池補充供電模式，可優(yōu)化適配器，以提供平均功率而非最大峰值系統(tǒng)功率，從而降低成本，并實現(xiàn)最小的解決方案尺寸。

提高系統(tǒng)性能設計考慮

如平板電腦和智能電話等便攜式設備，均要求實現(xiàn)瞬時開機功能，從而提供良好的用戶體驗。這就意味著，不管電池是完全充電還是深度放電，插入適配器時系統(tǒng)都要瞬時開啟。

例如，我們假設，系統(tǒng)使用一塊單節(jié)鋰離子電池，如圖1和2所示。如果在沒有MOSFET Q4的情況下，電池直接連接至系統(tǒng)，則系統(tǒng)總線電壓(VBUS)與電池電壓一樣。電壓小于3V的一塊深度放電電池，可能會阻止系統(tǒng)開啟。用戶可能不得不等待電池充電至3.4V以后才能開啟系統(tǒng)。為了支持瞬時開啟功能，我們添加了MOSFET Q4，以便工作在線性模式下，實現(xiàn)對深度放電電池充電的同時維持最小系統(tǒng)工作電壓。最小系統(tǒng)電壓通過開關式轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)，而Q4的充電電流則通過一個線性控制環(huán)路來調(diào)節(jié)。一旦電池電壓達到最小系統(tǒng)電壓，MOSFET Q4便完全開啟。它的充電電流通過同步降壓轉(zhuǎn)換器的占空比來調(diào)節(jié)。所以，系統(tǒng)電壓始終維持在最小系統(tǒng)工作電壓和最大電池電壓之間，以為系統(tǒng)供電。

在一個5V的USB充電系統(tǒng)中，電源和電池之間的所有串行電阻都會影響充電效率。充電通路的電阻由FET Q1、Q2及Q4的“導通”電阻以及USB線纜約250 mΩ的電阻共同組成。如果線纜電壓下降，充電器輸入電壓很少能達到4.5V。因此，設計一種FET“導通”電阻最低的充電器，可以最小化充電時間，這一點至關重要。圖3比較了使用 TI bq24190 USB/適配器充電器設計和80 mΩ充電通路額外電阻替代設計的充電時間。我們可以看到，相比另一種設計，由于輸入電壓達到4.5V，bq24190設計的充電時間縮短了20%。

圖3 充電通路中高“導通”電阻的影響

延遲電池使用時間

當然，電池容量越高，電池使用時間也就越長。對于一個單電池供電的系統(tǒng)而言，通常要求3.3V的輸出電壓，其典型最小系統(tǒng)電壓為3.4V左右。如果MOSFET Q4的“導通”電阻為50 mΩ，并且電池放電電流為3A，則電池截止電壓為3.55V。這就意味著，超過15%的電池容量并未得到利用。為了最大化電池使用時間，MOSFET Q4的“導通”電阻必須盡可能地小。例如，“導通”電阻為10 mΩ，并且峰值電池放電電流同樣為3A，則電池截止電壓為3.43V。相比50 mΩ的“導通”電阻，它所提供的電池電量多10%。[!--empirenews.page--]

圖4顯示了一個使用集成MOSFET的高效、單電池I2C充電器舉例。這種充電器同時支持USB和AC適配器輸入，適用于平板電腦和便攜式媒體設備。集成了所有4個功率MOSFET，同時MOSFET Q1和Q4用于檢測輸入電流和電池充電電流，從而進一步最小化系統(tǒng)的解決方案尺寸。這種充電器還可區(qū)分USB端口和適配器，以快速設置正確的輸入電流限制。另外，充電器可以單獨工作(即使在系統(tǒng)關閉的情況下)，擁有內(nèi)部默認充電電流、充電電壓、安全計時器和輸入電流限制。這種充電器還具有USB On-the-Go(OTG)功能，其工作在增壓模式下，通過電池在USB輸入端提供5V、1.3A輸出。

圖4 使用DPM的高效、4A I2C開關式充電器

散熱性能

對于那些具有超薄外形的便攜式設備而言，散熱性能至關重要，因為用戶可以很容易地感覺到來自印刷電路板的發(fā)熱情況。這種熱是由一些高功耗組件所產(chǎn)生，例如：電池充電器等。要想解決這個問題，使用高效的充電器和良好的電路板布局非常重要。為了進一步提高散熱性能，bq2419x系列產(chǎn)品內(nèi)部使用了一個熱調(diào)節(jié)環(huán)路。它通過在器件達到預設結點溫度時降低充電電流，來控制最大結點溫度。圖5顯示了bq24190設計的測得電池充電效率。使用5V USB輸入時，它的效率可高達94%。9V輸入和4A充電電流時，溫升僅32°C。

圖5 不同充電電流下的測得電池充電效率

結論

本文表明，基于輸入電流或者輸入電壓的DPM可用于為便攜式設備供電，從而在對電池充電的同時實現(xiàn)系統(tǒng)瞬時開啟。另外，它還表明，增加電池補充供電模式對于電源系統(tǒng)性能優(yōu)化至關重要。我們還討論了其它一些設計考慮，例如：如何使用低電量電池實現(xiàn)瞬時系統(tǒng)開啟、電池使用時間、充電通路電阻以及散熱性能等。