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電池充電技術(shù)全攻略:動(dòng)態(tài)電源實(shí)現(xiàn)快速高效充電

發(fā)布時(shí)間:2015-06-12 責(zé)任編輯:sherry

【導(dǎo)讀】本文將討論如何通過(guò)動(dòng)態(tài)電源管理(DPM)實(shí)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(bǔ)充供電模式一起組合使用。本文還會(huì)介紹一些延遲電池使用時(shí)間的重要設(shè)計(jì)考慮。
 
隨著對(duì)于新興便攜式設(shè)備(例如:平板電腦和智能電話等)需求的快速增長(zhǎng),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(lèi)型的適配器和電池化學(xué)成份,并且必須擁有高效的快速充電能力。與此同時(shí),提供良好的用戶(hù)體驗(yàn)也非常重要,例如:系統(tǒng)瞬間開(kāi)啟、更長(zhǎng)的電池使用時(shí)間以及快速充電等。本文將討論如何通過(guò)動(dòng)態(tài)電源管理(DPM)實(shí)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(bǔ)充供電模式一起組合使用。本文還會(huì)介紹一些延遲電池使用時(shí)間的重要設(shè)計(jì)考慮。
 
鋰離子(Li-Ion)電池對(duì)于便攜式設(shè)備不斷增長(zhǎng)的電力需求來(lái)說(shuō)是一種理想選擇,因?yàn)樗鼡碛蟹浅8叩哪芰棵芏?。今天,一?0英寸屏幕的平板電腦,通常會(huì)使用一塊6到10Ah容量的電池組來(lái)提供更長(zhǎng)的工作時(shí)間。利用高容量電池,便攜式設(shè)備便可擁有快速、高效的充電能力,從而實(shí)現(xiàn)良好的用戶(hù)體驗(yàn)。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(kāi)機(jī)的能力(即使在電池被深度放電的情況下)。這些要求帶來(lái)了許多技術(shù)挑戰(zhàn)。一個(gè)挑戰(zhàn)是,如何在不使電源崩潰的同時(shí),最大化電源的可用功率,以高效和快速地對(duì)電池充電。另一個(gè)挑戰(zhàn)是,如何在系統(tǒng)工作的同時(shí)對(duì)深度放電的電池進(jìn)行充電。最后一個(gè)挑戰(zhàn)是,如何延遲電池使用時(shí)間和提高散熱性能。
 
動(dòng)態(tài)電源管理(DPM)
 
如何最大化可用功率,對(duì)電池進(jìn)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(huì)崩潰。電池充電時(shí),如何在使功率輸出最大化的同時(shí)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(bǔ)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(kāi)關(guān)模式充電器。MOSFET Q2及Q3與電感器L組成了一個(gè)同步開(kāi)關(guān)降壓型電池充電器。使用一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器,可確保有效轉(zhuǎn)換適配器的輸入功率,以實(shí)現(xiàn)更快速的電池充電。MOSFET Q1用作一個(gè)電池反向阻塞MOSFET,用于防止電池到輸入的漏電流通過(guò)MOSFET Q2的體二極管。另外,它還起到一個(gè)輸入電流檢測(cè)器的作用,以監(jiān)測(cè)適配器電流。
基于輸入電流的DPM
MOSFET Q4用于主動(dòng)監(jiān)測(cè)和控制電池充電電流,以實(shí)現(xiàn)DPM功能。當(dāng)輸入功率足以支持系統(tǒng)負(fù)載和電池充電時(shí),使用理想的充電電流值ICHG來(lái)對(duì)電池充電。如果系統(tǒng)負(fù)載(ISYS)突然增加且其總適配器電流達(dá)到限流設(shè)置(IREF),則輸入電流調(diào)節(jié)環(huán)路主動(dòng)調(diào)節(jié),并使輸入電流保持在預(yù)定義IREF輸入基準(zhǔn)電流上。給予更高的優(yōu)先權(quán)為系統(tǒng)供電,以讓其達(dá)到最高性能,并同時(shí)降低充電電流,這樣便可實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。因此,我們始終可以在輸入功率電源不崩潰的同時(shí)最大化輸入功率,并且讓可用功率動(dòng)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(gè)第三方電源插入系統(tǒng),而系統(tǒng)卻無(wú)法識(shí)別其電池限制,則難以根據(jù)輸入電流限制來(lái)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(cè)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(fù)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(kāi)始下降,并最終達(dá)到預(yù)設(shè)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(yù)設(shè)水平。通過(guò)自動(dòng)降低充電電流以便讓來(lái)自輸入功率電源的總電流達(dá)到其最大值(電源不崩潰),可以完成這項(xiàng)工作。因此,系統(tǒng)可以追蹤適配器的最大輸入電流。設(shè)計(jì)輸入電壓調(diào)節(jié)的目的是,讓電壓保持足夠高,以便對(duì)電池完全充電。例如,可把電壓設(shè)置為4.35V左右,以對(duì)一塊單節(jié)鋰離子電池組完全充電。
基于輸入電壓的DPM
電池補(bǔ)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(duì)于一些便攜式設(shè)備而言,例如:智能電話和平板電腦等,系統(tǒng)負(fù)載通常是動(dòng)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(dòng)控制,則輸入功率電源可能會(huì)崩潰。
 
一種解決方案是,增加適配器的額定功率,但這會(huì)增加適配器的體積和成本。另一種解決方案是,開(kāi)啟MOSFET Q4對(duì)電池放電而非充電,從而暫時(shí)性地為系統(tǒng)提供更多的功率。組合運(yùn)用DPM控制和電池補(bǔ)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(shí)現(xiàn)最小的解決方案尺寸。
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提高系統(tǒng)性能設(shè)計(jì)考慮
 
如平板電腦和智能電話等便攜式設(shè)備,均要求實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)開(kāi)機(jī)功能,從而提供良好的用戶(hù)體驗(yàn)。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(shí)系統(tǒng)都要瞬時(shí)開(kāi)啟。
 
例如,我們假設(shè),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(méi)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(huì)阻止系統(tǒng)開(kāi)啟。用戶(hù)可能不得不等待電池充電至3.4V以后才能開(kāi)啟系統(tǒng)。為了支持瞬時(shí)開(kāi)啟功能,我們添加了MOSFET Q4,以便工作在線性模式下,實(shí)現(xiàn)對(duì)深度放電電池充電的同時(shí)維持最小系統(tǒng)工作電壓。最小系統(tǒng)電壓通過(guò)開(kāi)關(guān)式轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié),而Q4的充電電流則通過(guò)一個(gè)線性控制環(huán)路來(lái)調(diào)節(jié)。一旦電池電壓達(dá)到最小系統(tǒng)電壓,MOSFET Q4便完全開(kāi)啟。它的充電電流通過(guò)同步降壓轉(zhuǎn)換器的占空比來(lái)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(gè)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(huì)影響充電效率。充電通路的電阻由FET Q1、Q2及Q4的“導(dǎo)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(dá)到4.5V。因此,設(shè)計(jì)一種FET“導(dǎo)通”電阻最低的充電器,可以最小化充電時(shí)間,這一點(diǎn)至關(guān)重要。圖3比較了使用 TI bq24190 USB/適配器充電器設(shè)計(jì)和80 mΩ充電通路額外電阻替代設(shè)計(jì)的充電時(shí)間。我們可以看到,相比另一種設(shè)計(jì),由于輸入電壓達(dá)到4.5V,bq24190設(shè)計(jì)的充電時(shí)間縮短了20%。
提高系統(tǒng)性能設(shè)計(jì)考慮
延遲電池使用時(shí)間
 
當(dāng)然,電池容量越高,電池使用時(shí)間也就越長(zhǎng)。對(duì)于一個(gè)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(dǎo)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(guò)15%的電池容量并未得到利用。為了最大化電池使用時(shí)間,MOSFET Q4的“導(dǎo)通”電阻必須盡可能地小。例如,“導(dǎo)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(dǎo)通”電阻,它所提供的電池電量多10%。
 
圖4顯示了一個(gè)使用集成MOSFET的高效、單電池I2C充電器舉例。這種充電器同時(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(shè)備。集成了所有4個(gè)功率MOSFET,同時(shí)MOSFET Q1和Q4用于檢測(cè)輸入電流和電池充電電流,從而進(jìn)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(shè)置正確的輸入電流限制。另外,充電器可以單獨(dú)工作(即使在系統(tǒng)關(guān)閉的情況下),擁有內(nèi)部默認(rèn)充電電流、充電電壓、安全計(jì)時(shí)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(guò)電池在USB輸入端提供5V、1.3A輸出。
延遲電池使用時(shí)間
散熱性能
 
對(duì)于那些具有超薄外形的便攜式設(shè)備而言,散熱性能至關(guān)重要,因?yàn)橛脩?hù)可以很容易地感覺(jué)到來(lái)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(gè)問(wèn)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(jìn)一步提高散熱性能,bq2419x系列產(chǎn)品內(nèi)部使用了一個(gè)熱調(diào)節(jié)環(huán)路。它通過(guò)在器件達(dá)到預(yù)設(shè)結(jié)點(diǎn)溫度時(shí)降低充電電流,來(lái)控制最大結(jié)點(diǎn)溫度。圖5顯示了bq24190設(shè)計(jì)的測(cè)得電池充電效率。使用5V USB輸入時(shí),它的效率可高達(dá)94%。9V輸入和4A充電電流時(shí),溫升僅32°C。
散熱性能
結(jié)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(shè)備供電,從而在對(duì)電池充電的同時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)瞬時(shí)開(kāi)啟。另外,它還表明,增加電池補(bǔ)充供電模式對(duì)于電源系統(tǒng)性能優(yōu)化至關(guān)重要。我們還討論了其它一些設(shè)計(jì)考慮,例如:如何使用低電量電池實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)系統(tǒng)開(kāi)啟、電池使用時(shí)間、充電通路電阻以及散熱性能等。
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