動(dòng)態(tài)電源路徑管理的高效開(kāi)關(guān)模式充電器系統設計注意事項

圖 2 輸入電壓型動(dòng)態(tài)電源管理

輸入電流和輸入電壓型 DPM 控制都可以從適配器獲取最大功率的同時(shí)而不使適配器崩潰。對于諸如智能電話(huà)和平板電腦等便攜式設備來(lái)說(shuō)，系統負載通常隨高脈動(dòng)電流而動(dòng)態(tài)變化。即使是充電電流已經(jīng)降至零，如果脈動(dòng)系統峰值功率高于輸入功率，那會(huì )出現什么情況呢？在沒(méi)有主動(dòng)控制的情況下，輸入電源可能會(huì )崩潰。

一種解決方案是增加適配器額定功率，但這會(huì )增加適配器的尺寸和成本。另一種方案是除適配器提供的有效功率以外再為系統補充額外功率，以對電池臨時(shí)放電。因此，電池會(huì )開(kāi)啟 MOSFET Q4 來(lái)提供額外功率，從而實(shí)現電池放電而充電。組合使用 DPM 控制和電池補充功率模式，可實(shí)現對適配器的優(yōu)化，以支持平均功率而非最大峰值系統功率，達到降低成本和實(shí)現最小解決方案尺寸的目的。
提高系統性能設計考慮
一些便攜式電源系統，例如：平板電腦和智能電話(huà)等，要求具有一種“快速開(kāi)機”功能，以提升用戶(hù)體驗。這就意味著(zhù)，不客電池是完全充電還是深度放電，當連接適配器時(shí)系統都要能夠快速開(kāi)啟。

讓我們來(lái)回顧圖 1-2 所示系統，并使用一個(gè)單節鋰離子電池系統作為舉例。如果在不使用MOSFET Q4 的情況下將電池直接連接至系統，V_BUS 的系統總線(xiàn)電壓與電池電壓相同。一塊電壓為 3V 的深度放電電池，其電壓不足以開(kāi)啟系統。終端用戶(hù)需要等電池充電至 3.4V 之后，才能開(kāi)啟系統。為了支持系統快速開(kāi)機，需要添加一個(gè) MOSFET Q4，讓系統在線(xiàn)性模式下工作，以維持最小系統工作電壓，并同時(shí)對深度放電的電池充電。最小系統電壓由開(kāi)關(guān)式轉換器調節，而充電電流則由 LDO 模式通過(guò)控制 MOSFET Q4 來(lái)調節。一旦電池電壓達到最小系統工作電壓，MOSFET Q4 便完全開(kāi)啟。它的充電電流通過(guò)同步降壓轉換器的占空比調節。因此，系統電壓始終維持在最小系統工作電壓和驅動(dòng)系統的最大電池電壓之間。

如何延長(cháng)電池工作時(shí)間呢？當然，電池容量越高，電池工作時(shí)間也就越長(cháng)。就單節電池供電系統而言，典型的最小系統電壓為 3.4V 左右，以達到系統所要求的 3.3V輸出。如果 MOSFET Q4 的導通電阻為 50 mΩ，并且電池放電電流為 3A，則電池終止電壓為 3.55V。這就意味著(zhù) 15% 以上的電池容量未用，殘留在電池中。為了最大化電池工作時(shí)間，MOSFET Q4 的導通電阻必須設計的盡可能地小，例如：10 mΩ。

圖 3 顯示了一個(gè)使用集成 MOSFET 的高效、單節電池 I²C 電池充電器舉例。該充電器同時(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備應用。同時(shí)集成了 4 個(gè)功率 MOSFET，而 MOSFET Q1 和 Q4 用于檢測輸入電流和電池充電電流，目的是進(jìn)一步最小化系統解決方案尺寸。這種充電器可以檢測到 USB 和適配器電源之間的切換，以快速建立正確的輸入電流限制。另外，充電器還可以作為一個(gè)單獨的充電器使用內部默認充電電流、充電電壓、安全計時(shí)器和輸入電流限制對電池充電—即使系統為關(guān)閉狀態(tài)。它還擁有 USB OTG 功能，可讓充電器工作在增壓模式下，通過(guò)電池為 USB 輸入端提供 5V/1.3A 輸出。

圖 3 使用動(dòng)態(tài)電源管理的 4A I²C 高效開(kāi)關(guān)模式充電器