便攜系統中電池充電與系統供電并存的考慮

在大多數使用可充電電池組的便攜式系統中，直流輸入不僅給系統供電，還要給電池充電。因此，系統設計者必須考慮如何在用直流輸入給系統供電的同時(shí)，快速、安全、可靠地給電池充電。

對方便、靈活以及提高生產(chǎn)力的需求使便攜式系統在工作和生活中日益普及。對于使用可充電電池組的便攜式系統而言，電源設計上顯著(zhù)的挑戰就是電池充電電路。尤其是當充電功能被集成在系統主板上而不是單獨存在于系統以外的充電器上時(shí)，在電源設計上就更需要有一些特殊的考慮。

許多整合系統和電池充電電路的挑戰來(lái)源于便攜式系統本身的內在特性。其中之一是便攜式系統可能有多個(gè)主要的電源輸入，不同于非便攜式系統通常只有一個(gè)固定的外接適配器。這些典型的電源包括電池、交流適配器以及其他直流輸入，例如usb接口。 多個(gè)輸入電源對于設計有一系列的要求，例如在電源之間需要有可靠的切換而不至于使系統負載掉電或者電源之間短路。另外一個(gè)考慮是，通常情況下直流輸入電壓和電池電壓額定值不同。因此必須按照最低的電池電壓（最小值）以及適配器的輸出電壓（一般為最大值）的范圍來(lái)設計電能轉換電路。在大多數使用可充電電池組的便攜式系統中，直流輸入不僅給系統供電，還要給電池充電。因此，系統設計者必須考慮如何在用直流輸入給系統供電的同時(shí)，快速、安全、可靠地給電池充電。

如何給鋰離子電池組充電

在增加功能、減小體積的同時(shí)，便攜系統的設計要爭取盡量長(cháng)的電池工作時(shí)間。鋰離子電池在重量和體積上的相對能量密度性能突出，被廣泛應用于便攜設備中。為了便于理解給系統供電的同時(shí)給電池充電的難題，首先要理解如何正確地給鋰離子電池充電。

圖1所示是通常推薦用于鋰離子電池充電的曲線(xiàn)。大多數鋰離子充電集成電路都是按照這種方式來(lái)給電池組充電的。一般說(shuō)來(lái)，鋰離子電池充電包括3個(gè)階段：預充階段、快充恒流 (cc) 階段、恒壓（cv）終止階段。在預充階段，電池以低電流（1/10的快充電流）充電，直到電壓升到一個(gè)適合快充的值（每節3v）。在快充恒流階段，電池以快充電流值充電，直到電池電壓升到恒壓調控閾值（每節4.2v）, 然后電流會(huì )逐漸下降到設定好的終止閾值（終止檢測）。充電在這一點(diǎn)終止或到達設定時(shí)間（ttaper，通常小于20分鐘）后再終止。為了安全保護以及故障檢測，計時(shí)器 （例如tprechg和tchg） 跟蹤全部的充電時(shí)間以及/或者3個(gè)階段的充電時(shí)間。如果計時(shí)器超時(shí)，充電控制電路終止充電，并向主系統控制器或者用戶(hù)發(fā)出故障條件指示。表1為充電階段的總結。

兼顧電池充電和系統供電出現的問(wèn)題

圖2所示為在充電的同時(shí)給系統供電的基本電路結構。在這種結構中，充電電路的輸出被分為系統負載以及電池充電兩部分，也就是說(shuō)，ichg=isys+ibat。大多數基本的充電控制電路無(wú)法檢測它的輸出電流在電池充電和系統負載兩者之間是如何分配的，從而也就不能在充電過(guò)程中作出正確的決定。這在鋰離子電池的三個(gè)充電階段中會(huì )出現不同的問(wèn)題。

在預充階段，充電電流相對較低（1/10的快充電流）。如果系統啟動(dòng)，會(huì )抽走大部分甚至全部的電流，從而使電池電壓無(wú)法達到快充閾值（每節3v）。一旦預充定時(shí)器到時(shí)，充電控制電路就將進(jìn)入充電錯誤模式。然而在電壓低于3v時(shí)，鋰離子電池本來(lái)就接近耗盡，所以通常當電池電壓低于3v時(shí)系統會(huì )自動(dòng)關(guān)機，那么預充定時(shí)器到時(shí)的問(wèn)題也就可以避免了。

定時(shí)器到時(shí)問(wèn)題同樣也可能存在于在cc和cv階段。在cc模式下，系統可以“盜用”足夠電流而引起總充電定時(shí)器（如圖1所示的tchg）到時(shí)。在cv模式下，系統負載使充電電路輸出電流(ichg)可能總是超過(guò)終止電流，從而使充電電路無(wú)法檢測到充電終止值而最終進(jìn)入錯誤狀態(tài)。這種情況如圖3所示。

解決方案

一種基本解決辦法是在充電控制電路周?chē)尤肓硪粋€(gè)電流支路，如圖4所示。這一支路會(huì )在充電時(shí)導通，提供負載電流。

icharger+isupplement=isystem+ibat，其中isupplement=isystem，那么流經(jīng)充電ic的電流就等于電池充電電流，充電控制電路就可以正常工作了?；镜某潆娍刂苅c一般都有充電狀態(tài)顯示，這些狀態(tài)顯示輸出可以用來(lái)控制輔助電流支路的導通。當狀態(tài)顯示為充電完畢時(shí)，輔助電流支路將關(guān)閉，以避免電池過(guò)充。

另一種解決辦法是徹底將系統負載電流與電池充電電流隔離。這就保證了充電控制電路總是能得到輸入電池的實(shí)際電流值。一些充電管理ic集成了路徑選擇電路來(lái)實(shí)現這一功能。在圖5中，bq24030有一個(gè)適配器直流輸入端和兩個(gè)輸出端，一個(gè)給系統供電，另一個(gè)給電池充電。當適配器接入時(shí)，由適配器給系統供電和給電池充電。如果系統負載上升超過(guò)一定限度，控制電路會(huì )自動(dòng)降低分配給電池的電流繼續充電。當適配器取下后，就由電池給系統供電。bq24030還包括一個(gè)usb輸入端，也可以同時(shí)給系統供電和給電池充電。

小結

隨著(zhù)便攜系統朝著(zhù)輕、薄、短小和要求電池工作時(shí)間更長(cháng)的方向發(fā)展，對電源設計提出了新的挑戰。電池和集成電路技術(shù)的發(fā)展將迎接這些挑戰，為移動(dòng)世界帶來(lái)各種更輕巧、更強大的便攜式系統。