线性充电器的基本功能和电路分析

随着内置功能越来越多，越来越智能的电子设备在更具吸引力的同时也更加耗电，可充电电池因此成为了一个经济的选择。近年来，随着创新应用、新兴技术和新电池化学成分的出现，充电器的需求不断发展。例如，可穿戴设备领域的新应用（如智能银行卡、智能服装和医疗贴片）引领着解决方案变得更小巧便宜，同时也推动着电池朝更小更高功率密度的方向发展。

设计师的典型问题或疑虑包括：“我如何最大限度地延长电池的使用时间？”“我如何延长产品的保质期？”“是否有可能对电池进行过度放电？”“如果电池缺失或损坏会发生什么？”“如何让我的产品与较弱的适配器一起工作？”，以及“我可以将相同的充电器用于不同的设计和不同的电池吗？”在本文中，我将讨论线性充电器的不同功能如何帮助解决这些问题。

电源路径

电源路径功能可通过在充电器内部增加一个开关，使单独的输出为系统供电并为电池充电。这种架构会导致其他一些特性。让我们先看看图1，该图显示了一个没有电源路径的简单线性充电器。系统输入和电池电极连接到相同的充电器输出节点。这种非电源路径架构因其简单和小巧的解决方案而受到欢迎；实例包括bq24040和bq25100电池充电器。图2显示了bq25100的评估模块（EVM）。

图1：简单的非电源路径线性充电器图

图2：bq25100 EVM

然而，这种架构有一些局限。充电器输出、电池电极和系统输入都在同一点连接。如果电池深度放电或有缺陷，那么即使连接外部电源，也可能无法启动系统。在系统启动之前，电池需要充电到一定的电压水平。因此，如果产品的电池深度放电，终端用户可能会在插入适配器时认为系统已经损坏，并且由于系统无法启动而没有任何情况发生。如果产品的电池确实存在缺陷，则系统可能永远无法启动。对于使用可拆卸电池的产品，可能需要使用不同的封装来拆卸和更换缺陷电池。但是，如果电池嵌入在设备内，则缺陷电池会使整个产品无法使用。

这种架构的另一个问题是充电器只能检测到流入电池和系统的总电流。如果系统正在运行，则充电器如何确定电池电流是否达到终止电平？

所有问题的解决方案非常简单——只需在系统输入和电池电极之间添加另一个开关。图3显示了电源路径线性充电器架构。除了从外部电源引入电流的Q1场效应晶体管（FET）之外，必要时需再增加一个开关（Q2）使电池与系统分离。系统始终具有输入电源的优先级，当终端用户插入适配器时，系统可以立即打开。如果适配器在支持系统负载时还剩下额外的电源，电池可以充电。

图3：电源路径线性充电器图

这种方法还允许充电器独立地监控电池的充电电流（与适配器的总电流相反），以允许适当的终止和检查任何故障情况。

bq24072器件系列包括独立式电源路径线性充电器。bq25120A是一款集成度更高的新型器件。除了电源路径线性充电器之外，它还集成了DC-DC降压转换器、LDO、按钮控制器和具备客户可编程性的I2C接口。

运输模式

运输模式通常是设备的最低静态电流状态。为了最大限度地延长贮藏寿命，制造商在产品出厂前就已经启用了这种状态，以期待终端用户获得产品时电池电量不会耗尽。通过关闭电源路径充电器中的Q2，运输模式电路实质上断开了电池的连接，以防止电池泄漏到系统中。当终端用户第一次打开产品时，Q2重新打开，电池连接到系统。

动态电源路径管理（DPPM）

DPPM是电源路径设备的另一个功能。它可以监测设备的输入电压和电流，并在适配器不能支持系统负载时自动对系统进行优先级排序。输入源电流会在系统负载和电池充电之间共享。如果系统负载增加，此功能可降低充电电流。当系统电压下降到某个阈值时，电池可以停止充电，并将电池放电以补充系统电流要求。此特性的实施可有效防止系统崩溃。

输入电压动态电源管理（VIN-DPM）

通常与DPPM混淆的另一个功能是VIN-DPM。这一机制听起来非常相似，但重点却完全不同。输入电源或适配器具有额定功率。在某些情况下，输入电源的功率并不足以满足设备的需求。在USB标准不同的情况下，如今设计人员更普遍地认识到了这一点。正在充电的设备可能需要适用于各种类型（甚至未知的）适配器。如果输入源过载并导致输入电压低于欠压锁定（UVLO）阈值，则器件会关闭并停止充电。电源负载消失，适配器恢复。其电压回升到高于UVLO并重新开始充电，但适配器会再次立即过载并崩溃。这种不良情况被称为“打嗝模式”。参见图4。

图4：打嗝模式

VIN-DPM功能可成功解决这一问题，因为它可以连续监测充电器的输入电压。如果输入电压低于某个阈值，VIN-DPM会调节充电器以减少输入电流负载，从而防止适配器崩溃。

现在您可以发现VIN-DPM和DPPM实际上是两个完全不同的功能。VIN-DPM可监控适配器的输出（或充电器的输入）并将其保持在一定的水平。DPPM可监控充电器输出（或系统导轨）并将其保持在最低预定水平。这两个功能可以协调共存，发挥作用，以便在不同的操作条件下平稳运行。并非所有充电器都具有这两种功能。您也可以在非电源路径充电器上实施VIN-DPM。

我以线性充电器拓扑结构为例阐释了一些与电源路径功能相关的基本特性，但开关充电器当然也可以具有此功能。