隨著(zhù)諸如平板電腦和智能手機等便攜式設備的迅速增長(cháng)和不斷涌現，要想實(shí)施電池管理以達到更高的電池供電系統性能，變得越來(lái)越困難。電池管理系統必須擁有一定的智能，以支持各種適配器類(lèi)型和電池化學(xué)物質(zhì)，并提高電池充電效率。與此同時(shí)，提供良好的用戶(hù)體驗也越來(lái)越重要，例如：系統快速開(kāi)機、長(cháng)電池使用時(shí)間和快速充電等。本文將討論如何利用輸入電流和輸入電壓型動(dòng)態(tài)電源管理 (DPM) 控制來(lái)提高電池充電性能，以防止系統崩潰以及最大化適配器有效功率，并為您說(shuō)明延長(cháng)電池工作時(shí)間的一些重要設計考慮因素。
引言
終端用戶(hù)對于快速充電和高效充電的需求日益增長(cháng)。鋰離子(Li-Ion)電池是一種理想的選擇，因為其擁有非常高的能量密度。這種電池具有高充電電流，能夠很好地適用于10英尺平板電腦應用，可用于6 Ah以上的高電池組容量。平板電腦要求具有優(yōu)異的散熱性能和快速開(kāi)機特性，即使是深度放電的電池也是如此。這些要求給設計人員帶來(lái)了諸多設計挑戰。首先是，如果最大化電源的有效功率，以高效、快速地對電池充電同時(shí)電源不能崩潰。其次是，如何在系統保持運行的同時(shí)，對深度放電的電池進(jìn)行充電。最后是如何提高散熱性能。
動(dòng)態(tài)電源路徑管理
如何最大化有效功率，從而實(shí)現快速、高效的電池充電呢？所有電源都有其輸出電流或者功率限制。例如，高速USB(USB2.0)端口的最大輸出電流為500 mA，而超高速USB(USB3.0) 端口的最大輸出電流為900 mA。如果系統功率需求超出電源的有效功率，電源便會(huì )崩潰。對電池充電時(shí)，我們如何在最大化功率輸出的同時(shí)防止電源崩潰呢？我們使用了三種控制方法：輸入電流型DPM、輸入電壓型DPM和電池補充模式。
圖1顯示了使用DPM控制的高效開(kāi)關(guān)模式充電器。MOSFET Q2和Q3以及電感L組成一個(gè)同步開(kāi)關(guān)降壓式電池充電器。這種組成方法達到了最高電池充電效率，充分利用適配器功率，從而實(shí)現了最為快速的電池充電。MOSFET Q1用作一個(gè)電池反向阻塞MOSFET，目的是防止電池漏電通過(guò)MOSFET Q2體二極管流至輸入。另外，它還用作一個(gè)輸入電流檢測組件，以監控適配器電流。
MOSFET Q4用于主動(dòng)監測和控制電池充電電流，以實(shí)現DPM。當輸入功率足以同時(shí)支持系統負載和電池充電時(shí)，使用ICHG理想充電電流值對電池充電。如果系統負載ISYS突然增加，并且其總適配器電流達到電流限制設置IREF，則輸入電流調節環(huán)路主動(dòng)進(jìn)行調節，并將輸入電流維持在預定義輸入基準電流IREF電平。通過(guò)降低充電電流并優(yōu)先為系統供電，讓其達到最高系統性能，可以實(shí)現這個(gè)目標。因此，可以在輸入電源不崩潰的情況下，始終最大化輸入功率，同時(shí)在系統和電池充電之間動(dòng)態(tài)地共享有效功率。
圖1:輸入電流型動(dòng)態(tài)電源管理
如果系統連接一個(gè)無(wú)法識別其電流限制的第三方電源，則難以使用輸入電流限制型DPM，而應使用輸入電壓型DPM，其控制算法如圖2所示。電阻分壓器R1和R2用于檢測輸入電壓，并為輸入電壓調節環(huán)路的誤差放大器提供輸入。類(lèi)似地，如果系統負載增加，其使輸入電流超出適配器電流限制，則適配器電壓開(kāi)始下降，并最終達到預定義的最小輸入電壓。
激活輸入電壓調節環(huán)路，以將輸入電壓維持在預定義電壓電平。自動(dòng)降低充電電流，以使來(lái)自輸入電源的總電流達到其最大值，而輸入電源又不會(huì )崩潰。因此，系統現在便可以追蹤適配器的最大輸入電流。利用這種方法設計輸入調節電壓，其電壓仍然高到足以對電池完全充電。例如，可以將它設置為4.35V左右，以對一個(gè)單節鋰離子電池組進(jìn)行完全充電。
圖2:輸入電壓型動(dòng)態(tài)電源管理
輸入電流和輸入電壓型DPM控制都可以從適配器獲取最大功率的同時(shí)而不使適配器崩潰。對于諸如智能電話(huà)和平板電腦等便攜式設備來(lái)說(shuō)，系統負載通常隨高脈動(dòng)電流而動(dòng)態(tài)變化。即使是充電電流已經(jīng)降至零，如果脈動(dòng)系統峰值功率高于輸入功率，那會(huì )出現什么情況呢？在沒(méi)有主動(dòng)控制的情況下，輸入電源可能會(huì )崩潰。
一種解決方案是增加適配器額定功率，但這會(huì )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補充額外功率，以對電池臨時(shí)放電。因此，電池會(huì )開(kāi)啟MOSFET Q4來(lái)提供額外功率，從而實(shí)現電池放電而充電。組合使用DPM控制和電池補充功率模式，可實(shí)現對適配器的優(yōu)化，以支持平均功率而非最大峰值系統功率，達到降低成本和實(shí)現最小解決方案尺寸的目的。
提高系統性能設計考慮
一些便攜式電源系統，例如：平板電腦和智能電話(huà)等，要求具有一種“快速開(kāi)機”功能，以提升用戶(hù)體驗。這就意味著(zhù)，不客電池是完全充電還是深度放電，當連接適配器時(shí)系統都要能夠快速開(kāi)啟。
讓我們來(lái)回顧圖1-2所示系統，并使用一個(gè)單節鋰離子電池系統作為舉例。如果在不使用MOSFET Q4的情況下將電池直接連接至系統，VBUS的系統總線(xiàn)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(kāi)啟系統。終端用戶(hù)需要等電池充電至3.4V之后，才能開(kāi)啟系統。為了支持系統快速開(kāi)機，需要添加一個(gè)MOSFET Q4，讓系統在線(xiàn)性模式下工作，以維持最小系統工作電壓，并同時(shí)對深度放電的電池充電。最小系統電壓由開(kāi)關(guān)式轉換器調節，而充電電流則由LDO模式通過(guò)控制MOSFET Q4來(lái)調節。一旦電池電壓達到最小系統工作電壓，MOSFET Q4便完全開(kāi)啟。它的充電電流通過(guò)同步降壓轉換器的占空比調節。因此，系統電壓始終維持在最小系統工作電壓和驅動(dòng)系統的最大電池電壓之間。
如何延長(cháng)電池工作時(shí)間呢？當然，電池容量越高，電池工作時(shí)間也就越長(cháng)。就單節電池供電系統而言，典型的最小系統電壓為3.4V左右，以達到系統所要求的3.3V輸出。如果 MOSFET Q4的導通電阻為50 mΩ，并且電池放電電流為3A，則電池終止電壓為3.55V。這就意味著(zhù)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(shí)間，MOSFET Q4 的導通電阻必須設計的盡可能地小，例如：10 mΩ。
圖3顯示了一個(gè)使用集成MOSFET的高效、單節電池I2C電池充電器舉例。該充電器同時(shí)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應用。同時(shí)集成了4個(gè)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(gè)單獨的充電器使用內部默認充電電流、充電電壓、安全計時(shí)器和輸入電流限制對電池充電—即使系統為關(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(guò)電池為USB輸入端提供5V/1.3A輸出。
圖3:使用動(dòng)態(tài)電源管理的4A I2C高效開(kāi)關(guān)模式充電器
對于一些超薄設計的便攜式設備來(lái)說(shuō)散熱性能至關(guān)重要，因為用戶(hù)很容易便能感覺(jué)到PCB電路板的發(fā)熱情況。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，使用優(yōu)化的高效、優(yōu)秀布局設計非常重要。要想進(jìn)一步提高熱性能，需使用一個(gè)熱調節環(huán)路。一旦達到預定義的結溫，它便通過(guò)降低充電電流來(lái)確保不超出最高結溫。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94%的效率。9V輸入和4A充電電流時(shí)，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
電池補充模式的動(dòng)態(tài)電源管理對于電池充電系統性能優(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(shí)為系統供電，并提供快速開(kāi)機功能。另外，本文還討論了電池工作時(shí)間和熱性能等重要設計考慮因素。
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