為滿(mǎn)足諸多系統需求，在系統設計人員和充電器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是指智能手機/平板電腦等設備中的充電器IC，用于把AC/DC適配器 (或USB) 的功率轉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(kāi)關(guān)式充電器日益流行，并迅速取代基于線(xiàn)性或脈沖方法的現有充電器解決方案。至于 其原因，已有太多文章討論過(guò)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(chēng)出現，另外也有多種實(shí)現方案。系統設計人員因此可能困擾于如何在不同方案之間進(jìn)行權衡比較。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. 系統與電池之間功率共享
2. 為無(wú)電池的系統供電
3. 為電池完全耗盡的系統供電
圖1的模塊示意圖是一個(gè)使用“理想”二極管的功率路徑的典型實(shí)現方案。電流由箭頭標識，可看出“理想”二極管 (不論是內部還是外部) 有助于電流的適當控制。
圖1. 采用“理想二極管”的功率路徑實(shí)現方案
這個(gè)實(shí)現方案雖然能夠滿(mǎn)足功率路徑的標準，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 的內部二極管實(shí)際上是一個(gè)電阻值一般為 180m? 的 PMOS，這意味著(zhù)電池與系統負載之間始終存在一個(gè) 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(huì )產(chǎn)生相當可觀(guān)的額外功耗。采用并聯(lián) PMOS 開(kāi)關(guān)可以減小這個(gè)阻抗值，但同時(shí)也會(huì )增加解決方案的尺寸和成本。
圖2的實(shí)現方案不同于圖1所示的方案。圖2中的電路雖然表面上看來(lái)似乎沒(méi)有功率路徑功能性，但事實(shí)上它幾乎能夠滿(mǎn)足所有的需求。另外，它還有一大好處，即系統負載和電池之間沒(méi)有耗能串聯(lián)組件。
圖2. FAN5400模塊示意圖
系統與電池功率共享
系統與電池間的功率共享，意味著(zhù)在輸入功率不足以同時(shí)為系統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。
FAN5400的典型配置如圖3所示，其中，系統與電池并聯(lián)連接。這種配置的功率控制方式類(lèi)似于功率路徑，有時(shí)會(huì )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目的實(shí)際情況。
圖3. 典型應用電路，系統與電池并聯(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和系統負載400mA接通的情況下，部分充電的電池。
在系統負載接通之前，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(gè)數值是考慮到充電器轉換效率以及降低電壓時(shí)獲得的輸出電流倍增因子而計算出的。
(1)
由本例中的這些數值，可得5V/3.6V?500mA?91%=632mA。從圖4中可發(fā)現 91%效率數據點(diǎn)。
圖4. FAN5400 的轉換效率與電池電壓及VBUS電壓的關(guān)系
當系統負載接通時(shí)，400mA的電流轉向系統，只剩下232mA用于電池充電。這就相當于功率控制(power steering)；對于充電器來(lái)說(shuō)，系統的優(yōu)先級高于電池。在系統負載關(guān)斷時(shí)，全部的 632mA 電流再一次流向電池。如圖3所示，FAN5400 的優(yōu)點(diǎn)在于系統和負載之間沒(méi)有耗能串聯(lián)組件。
情況B) 在 3.6V和系統負載 2000mA接通的情況下，部分充電的電池。
在系統負載接通之前，與情況A類(lèi)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。當系統負載接通時(shí)，632mA的電流轉向系統，余下的 1368mA 負載電流由電池提供。
這相當于功率控制；對于充電器來(lái)說(shuō)，系統的優(yōu)先級高于電池。在系統負載關(guān)斷時(shí)，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(gè)優(yōu)點(diǎn)，即在系統和負載之間無(wú)耗能組件。
情況C) 在 4.2V和系統負載 400mA 接通的情況下，完全充電的電池。
在系統負載接通之前，充電器是關(guān)斷的。當負載接通時(shí)，所有系統功率首先來(lái)自于電池。一旦VBAT < VOREG - VRCH，充電器便會(huì )啟動(dòng)。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 (這里假設電池電壓為4V)。充電器啟動(dòng)時(shí)，充電器的充電電流應該為 575mA。不過(guò)，由于系統負載仍然存在，實(shí)際上只有 575mA-400mA=175mA 流入電池。
這相當于功率控制；對于充電器來(lái)說(shuō)，系統的優(yōu)先級高于電池。在系統負載關(guān)斷時(shí)，全部的 575mA電流流向電池，直到電池進(jìn)入CV模式，這時(shí)，充電電流開(kāi)始減小。同樣的，圖3所示電路具有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即在系統和負載之間無(wú)耗能組件。
情況D) 在 4.2V和系統負載 2000mA接通的情況下，完全充電的電池。
在系統負載接通之前，充電器是關(guān)斷的。當負載接通時(shí)，功率首先來(lái)自于電池，而電池充電器幾乎立即啟動(dòng)，并進(jìn)入CC模式。這是因為鋰離子電池一般都有一個(gè)150m??的輸出阻抗，這個(gè)阻抗幾乎立刻使 VBAT < VOREG - VRCH。 類(lèi)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(huì )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(guò)，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，但由于系統負載為2000mA，575mA 的電流流向負載，剩余1425mA的系統負載電流由電池提供。
這相當于功率控制；對于充電器來(lái)說(shuō)，系統的優(yōu)先級高于電池。在系統負載關(guān)斷時(shí)，全部的575mA 電流流向電池，直到電池進(jìn)入 CV 模式，這時(shí)，充電電流開(kāi)始減小。同樣的，圖3所示電路具有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即在系統和負載之間無(wú)功耗組件。 |
