基于bq24161+TPS2419雙電池供電方案設計

隨著(zhù)便攜式終端產(chǎn)品處理能力的不斷提升以及功能的不斷豐富，終端產(chǎn)品的功耗也越來(lái)越大，因此待機時(shí)間就成為產(chǎn)品的關(guān)鍵性能指標之一。由于便攜式終端設備受到體積的限制，不能簡(jiǎn)單地通過(guò)不斷增加單節鋰電池容量來(lái)延長(cháng)待機時(shí)間，因此主電池+備電池的雙電池供電方案不啻成為延長(cháng)待機時(shí)間的優(yōu)選方案。本文介紹了基于充電管理芯片bq24161以及ORing控制芯片TPS2419的雙電池供電方案的設計。

文中分析了雙電池供電方案的設計要求，給出了設計框圖以及原理圖，在此基礎上分析了充電管理電路、ORing電路的具體設計方法，并且詳細分析了各部分電路的工作原理?；谒O計的電路，對其供電可靠性等性能指標進(jìn)行了測試。測試內容包括在靜態(tài)負載電流以及動(dòng)態(tài)負載電流條件下，備電插入、拔出過(guò)程中對系統供電可靠性的測試。測試結果表明：該方案能夠在備電插入、拔出過(guò)程中保證系統供電的可靠性，并且能夠對充電管理電路進(jìn)行靈活管理，是一個(gè)適合于多種終端設備的雙電池供電解決方案。

1 概述

當今智能手機、便攜式路由器等便攜式終端產(chǎn)品正朝著(zhù)體積更小、厚度更薄以及重量更輕的趨勢發(fā)展。但是隨著(zhù)便攜式終端產(chǎn)品處理能力的不斷提升以及功能的不斷豐富，其功耗卻越來(lái)越大。在電池技術(shù)沒(méi)有得到突破之前，主電池+備電池的雙電池解決方案就成為延長(cháng)待機時(shí)間較好的方案。主電池設計在機殼內部，處于常在的狀態(tài)，備電設計在機殼外部，可以隨意拔插?；谥麟姵?備電池的結構特點(diǎn)，雙電供電方案的設計要求主要包括以下兩個(gè)方面：

1) 備電池在拔插過(guò)程中要保證系統供電的可靠性;

2) 備電池通路與主電池通路之間不會(huì )相互影響;

3) 對主電池以及備電池可以進(jìn)行靈活的充電管理。

圖1給出了基于bq24161+TPS2419的雙電池供電方案的設計框圖。主電池與備電池的充電管理分別由兩片充電管理芯片bq24161進(jìn)行單獨控制。bq24161是高集成度的帶有動(dòng)態(tài)路徑管理功能(DPPM)的單節鋰電池充電管理芯片。主處理器與bq24161通過(guò)總線(xiàn)進(jìn)行通信，實(shí)現對主電池以及備電池的充電管理，其中包括對充電電流、充電電壓、狀態(tài)監測與控制等功能的靈活控制。TPS2419是適用于N+1供電系統的ORing電路控制器，它與低導通電阻N溝道MOSFET配合使用，在獲得MOSFET高效性能的同時(shí)，也提供了ORing二極管反向電流保護功能。TPS2419通過(guò)對電源電壓以及系統電壓的檢測來(lái)打開(kāi)或者關(guān)斷對應通路MOSFET.一方面TPS2419及時(shí)打開(kāi)MOSFET可以保證電源對系統供電的及時(shí)性和可靠性，另外一方面TPS2419迅速關(guān)斷MOSFET可以防止及減小系統電壓到輸入端電源的反灌電流。ORing電路冗余設計的特性保證了主電池與備電池電源通路互為備用的同時(shí)，也保證了備電插拔過(guò)程中系統電壓的安全性及可靠性。

2 電路設計方法分析

2.1 電路設計原理圖

電路原理圖中U1、U2是充電管理芯片bq24161,分別實(shí)現對主電池以及備電池的充電管理功能。U3、U4是ORing控制器TPS2419,實(shí)現主電池電源通路與備電池電源通路互為備用的雙電源供電結構。

充電管理芯片bq24161具有適配器檢測的功能，可以檢測到適配器的插入或者拔出。當插入電源適配器或者USB充電線(xiàn)后，bq24161會(huì )有相應的標志寄存器置位，由于默認配置下IN輸入通道相對于USB輸入通道享有更高的優(yōu)先級，因此電流會(huì )從IN輸入通道提供。Host可以通過(guò)I2C接口讀取U1、U2充電管理芯片內部寄存器的信息，并且通過(guò)I2C接口實(shí)現對主電、備電充電管理的靈活控制。在使能充電之前需要配置的參數包括充電電壓、充電電流、充電終止電流、輸入限流、VIN-DPM的門(mén)檻值等。

Host主機根據具體的需求控制U1、U2充電使能或終止，可以同時(shí)使能主電、備電的充電，也可以控制主電、備電的充電優(yōu)先級。當同時(shí)使能主電、備電的充電，如果適配器的輸入電流能力能夠同時(shí)滿(mǎn)足主電、備電充電的需求，那么U1、U2可以按照配置的充電電流給主電、備電同時(shí)充電。如果電源適配器的電流不能同時(shí)滿(mǎn)足充電的需求，bq24161的VIN-DPM功能就會(huì )被激活，會(huì )自動(dòng)減小輸入限流點(diǎn)以保證輸入電壓穩定在所設置的VIN-DPM的門(mén)檻電壓，內部寄存器DPM_STATUS位也會(huì )置位，此時(shí)主、備電的充電電流都不能達到設定的值，此時(shí)Host主機可以控制主電、備電的優(yōu)先級，比如關(guān)斷備電充電讓主電先充電，主電充電完成后備電再開(kāi)始充電。

U3、U4是ORing控制器TPS2419,實(shí)現主電與備電互為備用的雙電源供電結構。當備電作為系統供電電源時(shí)，在備電突然拔出的條件下，U3能夠迅速打開(kāi)主電通路以保證系統電壓的可靠性。當電壓較高的備電突然插入時(shí)，U4會(huì )打開(kāi)備電源通路，由備電提供系統供電。

2.2 充電管理電路設計

bq24161是高度集成的開(kāi)關(guān)型高效率單節鋰離子電池充電管理芯片，支持IN和USB雙通道輸入，最大充電電流可以達到2.5A.bq24161具有基于輸入電壓的動(dòng)態(tài)功率管理功能(Vin-DPM)和動(dòng)態(tài)功率路徑管理功能(DPPM)。其中VIN-DPM功能可以在充電器無(wú)法完全提供系統及充電電流能力的情況下，自動(dòng)調整減小輸入電流門(mén)限值，使輸入端口電壓維持在一定的門(mén)檻值，防止適配器(或USB電源)當機，另外Vin-DPM的門(mén)檻值可以靈活地進(jìn)行編程設置。因此，bq24161可與具有不同電流能力的適配器(USB電源)配合使用。在DPPM功能中，若SYS電壓由于負載原因跌落到最小系統電壓(VMINSYS)，bq24161會(huì )自動(dòng)減小充電電流，以滿(mǎn)足系統的供電需求。如果充電電流減小停止充電后都滿(mǎn)足不了系統的供電需求，bq24161會(huì )立即進(jìn)入補電模式，即電池向系統放電來(lái)滿(mǎn)足系統負載的需求，從而保證系統電壓的可靠性以及系統正常工作。因此，bq24161能夠在保證系統供電可靠性的條件下，實(shí)現對電池的靈活充電管理，并且能夠在電池過(guò)放或者電池不在位的條件下保證系統的正常供電。

充電管理電路部分的線(xiàn)路設計主要包括U1和U2.U1實(shí)現對主電池的充電管理，U2實(shí)現對備電池的充電管理，兩者充電管理部分設計參數基本相同，因此這里只對主電池管理電路即U1電路部分進(jìn)行討論。

當前市場(chǎng)上的終端產(chǎn)品大多對外只設一個(gè)接口兼容USB和適配器電源輸入。因此本文設計中IN和USB輸入端口是連接在一起的，主處理器可以通過(guò)內部寄存器來(lái)設置兩個(gè)電源輸入通道的優(yōu)先級來(lái)分別滿(mǎn)足適配器充電以及USB充電的需求。由于bq24161工作模式為開(kāi)關(guān)型，因此需要在IN端口以及USB端口分別就近連接1uF的輸入電容到地作旁路濾波作用。

對于功率電感的設計，bq24161推薦的功率電感的選擇范圍為1.5uH~2.2uH,為了盡量地減小紋波電流、提高效率，本設計選取2.2uH的電感，其峰值電流計算如下：

取VINMAX=10V,VOUT=4.2V,ILOAD(MAX)=2.5A計算峰值電流IPEAK=2.87A,因此選擇TDK LTF5022T-2R2N3R2電感，其直流電流可以達到3.2A.

bq24161采用的是內部補償方式，為了保證其工作穩定性，要求輸出電容在10uF~200uF之間，本設計中選取10uF的陶瓷電容作為輸出電容。為了盡量減小開(kāi)關(guān)過(guò)程中高頻電流環(huán)路的面積，需要在PMIDI以及PMIDU引腳分別放置4.7uF的陶瓷電容。另外SYS引腳以及BAT引腳對地也需要放置1uF的陶瓷電容。另外如果設計場(chǎng)合對動(dòng)態(tài)響應有要求，那么建議在SYS端對地增加容值至少為47uF的旁路電容，以提高充電管理電路動(dòng)態(tài)性能。

主處理器通過(guò)總線(xiàn)與bq24161之間進(jìn)行通信，實(shí)現對相關(guān)控制寄存器及狀態(tài)寄存器的配置和讀取。STAT引腳是一個(gè)開(kāi)漏極輸出口，可以用來(lái)對bq24161的工作狀態(tài)進(jìn)行顯示，設計中可以用來(lái)驅動(dòng)LED燈來(lái)顯示不同的工作狀態(tài)，或者可以連接到主處理器的GPIO口以供主處理器直接讀取。INT引腳也是一個(gè)開(kāi)漏極輸出口，可以與主處理器的外部觸發(fā)中斷相連，當報警發(fā)生時(shí)可以觸發(fā)主處理器的中斷，主處理器可以及時(shí)進(jìn)行相應的報警處理。另外CD引腳是硬件關(guān)斷控制，當為“高”時(shí)bq24161會(huì )設置在高阻抗模式下，主處理器可以根據需要對CD引腳進(jìn)行靈活控制。

BGATE引腳是用來(lái)提供PMOSFET Q1的驅動(dòng)信號，Q1是可選擇性設計，主要目的是為了在電池放電條件下優(yōu)化放電通路的性能。Q1與bq24161內部的放電MOSFET并聯(lián)使用，并聯(lián)后的導通阻抗更小，這樣就可以減小放電MOSFET上的損耗，從而提高效率，延長(cháng)產(chǎn)品的續航時(shí)間。

本設計中，備電的充電管理電路硬件設計與主電相同，因此可以參考主電的設計方法進(jìn)行設計。

2.3 ORing電路設計

ORing電路是通過(guò)兩片TPS2419來(lái)實(shí)現的，TPS2419是適用于N+1供電系統的ORing電路控制器，其精確的電壓檢測和可編程的關(guān)斷門(mén)限可以充分保證系統供電的靈活性和可靠性。其中A、C引腳為電壓檢測輸入引腳，分別連接N-MOSFET的源極和漏極，當母線(xiàn)電壓VC低于供電電壓VA,并且滿(mǎn)足V(A-C)>65mV時(shí)，TPS2419會(huì )迅速打開(kāi)外部的N-MOSFET管。當母線(xiàn)電壓VC接近或者大于VA供電電壓時(shí)，TPS2419會(huì )迅速關(guān)斷外部的N-MOSFET,切斷母線(xiàn)電壓VC與供電電壓VA的通路。TPS2419的關(guān)斷門(mén)檻電壓差V(A-C)可以由RSET引腳電阻設置，默認典型值為3mV(RSET懸空)。

下面在備電突然插入或者拔出的情況下，針對不同的條件對TPS2419ORing電路的工作原理進(jìn)行分析，圖3是備電插入、拔出系統供電流程圖。

1) 當主電池給系統供電時(shí)，插入備電，如果備電電壓滿(mǎn)足VBAT2_SYS-VSYS>65mV,那么備電的TPS2419會(huì )打開(kāi)外部的MOSFET,備電給系統供電，VSYS=VBAT2_SYS-Vdrop2,其中Vdrop2是MOSFET上的導通壓降。對于主電的通路來(lái)說(shuō)，如果此時(shí)VBAT1_SYS-VSYS滿(mǎn)足關(guān)斷條件，那么主電池通路的MOSFET會(huì )關(guān)斷，由備電給系統供電，關(guān)斷過(guò)程中VSYS電壓保持穩定，能夠保證系統供電的可靠性。如果VBAT1_SYS-VSYS不滿(mǎn)足關(guān)斷條件，那么主電的通路的MOSFET仍然導通，此時(shí)主電備電的同時(shí)給系統供電。

2) 當主電池給系統供電時(shí)，拔出備電，因為此時(shí)備電通路MOSFET沒(méi)有打開(kāi)，拔出備電對VSYS沒(méi)有任何影響，VSYS仍然由主電來(lái)提供。

3) 當備電給系統供電時(shí)，拔出備電。在拔出備電的過(guò)程中VSYS電壓會(huì )有下降的趨勢，當VSYS電壓跌落到主電通路VBAT1_SYS-VSYS>65mV的導通門(mén)檻時(shí)，主電回路的TPS2419會(huì )迅速打開(kāi)MOSFET,VSYS電流由主電池來(lái)提供，由于TPS2419能夠迅速打開(kāi)，因此在整個(gè)切換過(guò)程中能夠保證VSYS供電的可靠性。

綜合以上幾種條件下分析，表明本文中TPS2419設計實(shí)現的ORing電路在備電突然插入或者拔出的情況下，能夠完全保證系統供電的可靠性。