动态电源路径管理的高效开关模式充电器系统设计注意事项

随着诸如平板电脑和智能手机等便携式设备的迅速增长和不断涌现，要想实施电池管理以达到更高的电池供电系统性能，变得越来越困难。电池管理系统必须拥有一定的智能，以支持各种适配器类型和电池化学物质，并提高电池充电效率。与此同时，提供良好的用户体验也越来越重要，例如：系统快速开机、长电池使用时间和快速充电等。本文将讨论如何利用输入电流和输入电压型动态电源管理 (DPM) 控制来提高电池充电性能，以防止系统崩溃以及最大化适配器有效功率，并为您说明延长电池工作时间的一些重要设计考虑因素。
 
引言
终端用户对于快速充电和高效充电的需求日益增长。锂离子 (Li-Ion) 电池是一种理想的选择，因为其拥有非常高的能量密度。这种电池具有高充电电流，能够很好地适用于 10 英尺平板电脑应用，可用于 6 Ah 以上的高电池组容量。平板电脑要求具有优异的散热性能和快速开机特性，即使是深度放电的电池也是如此。这些要求给设计人员带来了诸多设计挑战。首先是，如果最大化电源的有效功率，以高效、快速地对电池充电同时电源不能崩溃。其次是，如何在系统保持运行的同时，对深度放电的电池进行充电。最后是如何提高散热性能。
 
动态电源路径管理
如何最大化有效功率，从而实现快速、高效的电池充电呢？所有电源都有其输出电流或者功率限制。例如，高速 USB (USB2.0) 端口的最大输出电流为 500 mA，而超高速 USB (USB3.0) 端口的最大输出电流为 900 mA。如果系统功率需求超出电源的有效功率，电源便会崩溃。对电池充电时，我们如何在最大化功率输出的同时防止电源崩溃呢？我们使用了三种控制方法：输入电流型 DPM、输入电压型 DPM 和电池补充模式。
 
图 1 显示了使用 DPM 控制的高效开关模式充电器。MOSFET Q2 和 Q3 以及电感 L 组成一个同步开关降压式电池充电器。这种组成方法达到了最高电池充电效率，充分利用适配器功率，从而实现了最为快速的电池充电。MOSFET Q1 用作一个电池反向阻塞 MOSFET，目的是防止电池漏电通过 MOSFET Q2 体二极管流至输入。另外，它还用作一个输入电流检测组件，以监控适配器电流。
 
MOSFET Q4 用于主动监测和控制电池充电电流，以实现 DPM。当输入功率足以同时支持系统负载和电池充电时，使用 I_CHG 理想充电电流值对电池充电。如果系统负载 I_SYS 突然增加，并且其总适配器电流达到电流限制设置 I_REF，则输入电流调节环路主动进行调节，并将输入电流维持在预定义输入基准电流 I_REF 电平。通过降低充电电流并优先为系统供电，让其达到最高系统性能，可以实现这个目标。因此，可以在输入电源不崩溃的情况下，始终最大化输入功率，同时在系统和电池充电之间动态地共享有效功率。  
图 1 输入电流型动态电源管理
 
如果系统连接一个无法识别其电流限制的第三方电源，则难以使用输入电流限制型 DPM，而应使用输入电压型 DPM，其控制算法如图 2 所示。电阻分压器 R1 和 R2 用于检测输入电压，并为输入电压调节环路的误差放大器提供输入。类似地，如果系统负载增加，其使输入电流超出适配器电流限制，则适配器电压开始下降，并最终达到预定义的最小输入电压。
 
激活输入电压调节环路，以将输入电压维持在预定义电压电平。自动降低充电电流，以使来自输入电源的总电流达到其最大值，而输入电源又不会崩溃。因此，系统现在便可以追踪适配器的最大输入电流。利用这种方法设计输入调节电压，其电压仍然高到足以对电池完全充电。例如，可以将它设置为 4.35V 左右，以对一个单节锂离子电池组进行完全充电。
   
图 2 输入电压型动态电源管理
 
输入电流和输入电压型 DPM 控制都可以从适配器获取最大功率的同时而不使适配器崩溃。对于诸如智能电话和平板电脑等便携式设备来说，系统负载通常随高脉动电流而动态变化。即使是充电电流已经降至零，如果脉动系统峰值功率高于输入功率，那会出现什么情况呢？在没有主动控制的情况下，输入电源可能会崩溃。
 
一种解决方案是增加适配器额定功率，但这会增加适配器的尺寸和成本。另一种方案是除适配器提供的有效功率以外再为系统补充额外功率，以对电池临时放电。因此，电池会开启 MOSFET Q4 来提供额外功率，从而实现电池放电而充电。组合使用 DPM 控制和电池补充功率模式，可实现对适配器的优化，以支持平均功率而非最大峰值系统功率，达到降低成本和实现最小解决方案尺寸的目的。