基于bq24161+TPS2419 雙電池供電方案的設計分析

摘要

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。

圖 1 基于bq24161+TPS2419 的雙電池供電方案框圖

2 電路設計方法分析

2.1 電路設計原理圖

圖2 基于bq24161+TPS2419 的雙電池供電方案原理圖

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。