解析功率路徑實(shí)現(xiàn)方案的折衷權(quán)衡

為滿足諸多系統(tǒng)需求，在系統(tǒng)設(shè)計人員和充電器IC供貨商中正掀起一股充電器IC的熱潮。本文提到的充電器IC是指智慧手機(jī)/平板計算機(jī)等設(shè)備中的充電器IC，用于把AC/DC適配器 (或USB) 的功率轉(zhuǎn)換為適合于電池充電的形式。最近，充電器IC的受關(guān)注焦點(diǎn)是高效開關(guān)式充電器日益流行，并迅速取代基于線性或脈沖方法的現(xiàn)有充電器解決方案。至于其原因，已有太多文章討論過了。

本文主要介紹充電器IC的功率路徑特性。功率路徑常常以不同的名稱出現(xiàn)，另外也有多種實(shí)現(xiàn)方案。系統(tǒng)設(shè)計人員因此可能困擾于如何在不同方案之間進(jìn)行權(quán)衡比較。功率路徑的大致定義是能夠提供以下一種或多種的優(yōu)勢：

1. 系統(tǒng)與電池之間功率共享

2. 為無電池的系統(tǒng)供電

3. 為電池完全耗盡的系統(tǒng)供電

圖1的模塊示意圖是一個使用“理想”二極管的功率路徑的典型實(shí)現(xiàn)方案。電流由箭頭標(biāo)識，可看出“理想”二極管 (不論是內(nèi)部還是外部) 有助于電流的適當(dāng)控制。

這個實(shí)現(xiàn)方案雖然能夠滿足功率路徑的標(biāo)準(zhǔn)，但實(shí)際上二極管不可能是真正“理想”的。例如，一塊這樣的 IC 的內(nèi)部二極管實(shí)際上是一個電阻值一般為 180m 的 PMOS，這意味著電池與系統(tǒng)負(fù)載之間始終存在一個 180m 的耗能串聯(lián)組件，其在電池大電流耗電 (比如 GSM 脈沖) 期間會產(chǎn)生相當(dāng)可觀的額外功耗。采用并聯(lián) PMOS 開關(guān)可以減小這個阻抗值，但同時也會增加解決方案的尺寸和成本。

圖2的實(shí)現(xiàn)方案不同于圖1所示的方案。圖2中的電路雖然表面上看來似乎沒有功率路徑功能性，但事實(shí)上它幾乎能夠滿足所有的需求。另外，它還有一大好處，即系統(tǒng)負(fù)載和電池之間沒有耗能串聯(lián)組件。

圖1. 采用“理想二極管”的功率路徑實(shí)現(xiàn)方案

圖2. FAN5400模塊示意圖

系統(tǒng)與電池功率共享

系統(tǒng)與電池間的功率共享，意味著在輸入功率不足以同時為系統(tǒng)供電和電池充電的情況下，功率可被控制或優(yōu)先供給系統(tǒng)。

FAN5400的典型配置如圖3所示，其中，系統(tǒng)與電池并聯(lián)連接。這種配置的功率控制方式類似于功率路徑，有時會讓人感到混淆，故下面給出了基于真實(shí)電池容量和輸入電源數(shù)目的實(shí)際情況。

圖3. 典型應(yīng)用電路，系統(tǒng)與電池并聯(lián)

實(shí)例1：1500mAh 電池 (電池的1C最大充電電流能力 為1500mA)，輸入電源為 5V/ 500mA 的USB 2.0

情況A) 在 3.6V和系統(tǒng)負(fù)載400mA接通的情況下，部分充電的電池。

在系統(tǒng)負(fù)載接通之前，充電器已經(jīng)處于CC模式。由于輸入電源為5V 500mA，電池電壓為3.6V，故大約有632mA的電流可用于電池充電。這個數(shù)值是考慮到充電器轉(zhuǎn)換效率以及降低電壓時獲得的輸出電流倍增因子而計算出的。

(1)

由本例中的這些數(shù)值，可得5V/3.6V•500mA•91%=632mA。從圖4中可發(fā)現(xiàn) 91%效率數(shù)據(jù)點(diǎn)。

圖4. FAN5400 的轉(zhuǎn)換效率與電池電壓及VBUS電壓的關(guān)系

當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載接通時，400mA的電流轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，只剩下232mA用于電池充電。這就相當(dāng)于功率控制(power steering);對于充電器來說，系統(tǒng)的優(yōu)先級高于電池。在系統(tǒng)負(fù)載關(guān)斷時，全部的 632mA 電流再一次流向電池。如圖3所示，F(xiàn)AN5400 的優(yōu)點(diǎn)在于系統(tǒng)和負(fù)載之間沒有耗能串聯(lián)組件。

情況B) 在 3.6V和系統(tǒng)負(fù)載 2000mA接通的情況下，部分充電的電池。

在系統(tǒng)負(fù)載接通之前，與情況A類似，充電器已經(jīng)處于CC 模式下，并把所有輸入功率用于632mA 的電池充電。當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載接通時，632mA的電流轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，余下的 1368mA 負(fù)載電流由電池提供。

這相當(dāng)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(fù)載關(guān)斷時，全部的632mA電流再一次流向電池。同樣的，圖3所示電路具有一個優(yōu)點(diǎn)，即在系統(tǒng)和負(fù)載之間無耗能組件。

情況C) 在 4.2V和系統(tǒng)負(fù)載 400mA 接通的情況下，完全充電的電池。

在系統(tǒng)負(fù)載接通之前，充電器是關(guān)斷的。當(dāng)負(fù)載接通時，所有系統(tǒng)功率首先來自于電池。一旦VBAT < VOREG - VRCH，充電器便會啟動。VRCH 是再充電閾值，為120mV。由于輸入電源為 5V 500mA，充電器能提供的最大可用電流為 5V/4V•500mA•92%=575mA (這里假設(shè)電池電壓為4V)。充電器啟動時，充電器的充電電流應(yīng)該為 575mA。不過，由于系統(tǒng)負(fù)載仍然存在，實(shí)際上只有 575mA-400mA=175mA 流入電池。

這相當(dāng)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(fù)載關(guān)斷時，全部的 575mA電流流向電池，直到電池進(jìn)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(diǎn)，即在系統(tǒng)和負(fù)載之間無耗能組件。

情況D) 在 4.2V和系統(tǒng)負(fù)載 2000mA接通的情況下，完全充電的電池。

在系統(tǒng)負(fù)載接通之前，充電器是關(guān)斷的。當(dāng)負(fù)載接通時，功率首先來自于電池，而電池充電器幾乎立即啟動，并進(jìn)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，這個阻抗幾乎立刻使 VBAT < VOREG - VRCH。類似于情況 C，充電器試圖以 575mA 的電流為電池充電 (實(shí)際上會稍高于 575mA，因為這種情況中電池電壓比情況 C 的低，且倍增因子略高。不過，由于這是演示實(shí)驗，所以可以忽略不考慮)。充電器試圖充電，但由于系統(tǒng)負(fù)載為2000mA，575mA 的電流流向負(fù)載，剩余1425mA的系統(tǒng)負(fù)載電流由電池提供。

這相當(dāng)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(fù)載關(guān)斷時，全部的575mA 電流流向電池，直到電池進(jìn)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(diǎn)，即在系統(tǒng)和負(fù)載之間無功耗組件。

實(shí)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(fù)載400mA接通的情況下，部分充電的電池。

在系統(tǒng)負(fù)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(shè)置為700mA充電。相比實(shí)例1，實(shí)例2的獨(dú)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(dāng)系統(tǒng)負(fù)載接通時，400mA轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，只剩下300mA為電池充電。[!--empirenews.page--]

有些設(shè)計人員可能感到這一點(diǎn)并不合意，因為輸入電源沒有充分被利用，達(dá)到電池和系統(tǒng)負(fù)載能夠接受的總和的程度。一種解決方案是把系統(tǒng)負(fù)載與 CSIN 連接，如圖5所示。

圖5. 系統(tǒng)負(fù)載與CSIN相連接的應(yīng)用電路

系統(tǒng)負(fù)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(fù)載接通之前，電池以 700mA 的1C最大充電能力進(jìn)行充電。當(dāng) 400mA的系統(tǒng)負(fù)載接通時，整個400mA的系統(tǒng)負(fù)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(diǎn)是在電池與系統(tǒng)負(fù)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(shí)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(chǎn)品中的180m。

情況B) 在 3.6V和系統(tǒng)負(fù)載 2000mA接通的情況下，部分充電的電池。

在系統(tǒng)負(fù)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(dāng)系統(tǒng)負(fù)載接通時，如果使用圖3中的配置，由充電器為系統(tǒng)負(fù)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(fù)載提供 1138mA 的電流，而其余 862mA 由電池提供。

這兩種配置都相當(dāng)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(quán)衡的是電池和系統(tǒng)負(fù)載之間的68m串聯(lián)組件。在兩種配置中，一旦系統(tǒng)負(fù)載關(guān)斷，700mA都流向電池。

情況C) 在 4.2V和系統(tǒng)負(fù)載 400mA 接通的情況下，完全充電的電池。

在系統(tǒng)負(fù)載接通之前，充電器是關(guān)斷的。當(dāng)負(fù)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(shè)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(fù)載仍然存在，故若采用圖3中的配置，實(shí)際上只剩下300mA為電池充電。

如果采用圖5中的配置，當(dāng)負(fù)載接通時，635mA的電流流向電池，由充電器為系統(tǒng)負(fù)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(fù)載關(guān)斷，全部700mA電流流向電池直到電池進(jìn)入CV模式;這時，充電電流減小。需要權(quán)衡的是電池和系統(tǒng)負(fù)載之間的68m串聯(lián)組件。

情況D) 在 4.2V和系統(tǒng)負(fù)載 2000mA接通的情況下，完全充電的電池。

在系統(tǒng)負(fù)載接通之前，充電器是關(guān)斷的。當(dāng)負(fù)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(jìn)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(fù)載為2000mA，因此 700mA的電流從充電器流向負(fù)載，剩余1300mA的系統(tǒng)負(fù)載電流由電池提供。

如果采用圖5的配置，當(dāng)負(fù)載接通時，1035mA的電流從充電器流向負(fù)載，剩余965mA的電流由電池提供。當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載關(guān)斷時，700mA電流流向電池，直到電池進(jìn)入CV模式，這時，充電電流開始減小。同樣的，這里需要權(quán)衡的是電池和系統(tǒng)負(fù)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(diào)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)。[!--empirenews.page--]

不過，在電池深度放電的情況下，電池電壓低于系統(tǒng)負(fù)載所需的供電電壓，圖3和圖5的功率路徑實(shí)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(fù)載工作所需電壓時，圖1中實(shí)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(diǎn)是，放電周期內(nèi)的曲線斜度必需極為陡峭，這意味著在數(shù)秒內(nèi)電池電壓就能夠上升到滿足最小系統(tǒng)負(fù)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(dāng)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(shè)計以獲得更大充電電流后約 1 秒鐘，電池保護(hù) FET 關(guān)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(jié)

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(fù)載供電的情況，但對普通手機(jī)電池來說這只是 40秒而已。在這一缺點(diǎn)與 FAN540X 提供的優(yōu)勢之間進(jìn)行權(quán)衡是很重要的。本文詳細(xì)討論了這種優(yōu)勢，結(jié)果顯示如圖 3 所配置的 FAN5400在電池和系統(tǒng)負(fù)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(diǎn)：系統(tǒng)與電池之間功率共享;以及為無電池的系統(tǒng)供電。