簡(jiǎn)化1節鋰離子電池供電設備的設計

目前，任何便攜電子系統都要求低成本、小尺寸、輕便。而為板上子系統設計電池充電及供電電路時(shí)，用電源管理IC可以方便地實(shí)現上述功能。這類(lèi)的器件有很多，比如Maxim公司的MAX8671X，其可以從USB口或外部交流適配器獲取電源，為鋰離子或鋰聚合物電池充電。除了充電功能外，該器件內部還集成了用于USB和直流輸入的過(guò)壓保護開(kāi)關(guān)，5路獨立的片上穩壓器，這一組合大大減少了電路板的外部元件數量。

因為MAX8671X可以無(wú)縫管理USB和交流適配器電源，使得制造商能夠省去AC/DC墻上適配器充電零配件，從而降低了系統成本。其集成了眾多功能：電池充電器、適配器-USB-電池開(kāi)關(guān)、系統電壓調節以及各種檢測功能（見(jiàn)圖1）。5路獨立的集成穩壓器(3路2MHz開(kāi)關(guān)降壓型調節器，效率高達96%；2路低靜態(tài)電流的線(xiàn)性穩壓器)可以為多個(gè)子系統提供高效供電。

圖1 MAX8671X內部結構

高度集成減少電源切換造成的混亂
MAX8671X PMIC集成了DC/USB輸入過(guò)壓保護、單節Li+電池充電器以及電池和外部電源之間負載切換所需的功率開(kāi)關(guān)。集成開(kāi)關(guān)和調節器可以省去外部MOSFET以及雜亂的電壓檢測器、電流檢測電阻、比較器、定時(shí)器以及其他常見(jiàn)的用于電源監測和切換的分立元件。

MAX8671X的智能電源選擇器(Smart Power Selector)能夠在外部輸入、電池和系統負載之間無(wú)縫切換(見(jiàn)圖2)，選擇器操作如下。

圖2 智能電源選擇器控制功率開(kāi)關(guān)MOSFET(Q3)

1 當兩個(gè)外部電源(USB或交流適配器)與電池連接時(shí)，如果系統(SYS)負載電流小于輸入電流的限制，輸入電源在保證系統供電的前提下為電池充電。如果系統負載超過(guò)了輸入電流限制，電池可以補充SYS負載電流(ISYS)供電不足的部分，避免出現復位。

2 如果系統只連接了電池，沒(méi)有連接外部電源，系統由電池供電。

3 如果連接了外部電源，沒(méi)有連接電池，系統將由外部輸入電源供電。

某些情況下，適配器或USB所能提供的電流可能不足以支持系統的峰值負載。為了解決這個(gè)問(wèn)題，當系統負載峰值超出所選擇的輸入電流限制或在DC或USB輸入端沒(méi)有連接電源時(shí)，集成的低RDSON MOSFET在內部將電池連接到SYS引腳，有電池為負載供電。如果系統負載連續超出輸入電流的限制，即使連接了外部電源也不會(huì )給電池充電。通常情況下，只在峰值負載瞬間才會(huì )發(fā)生重載情況，這種情況在大部分設計中不會(huì )存在太久。出現峰值負載期間，電池將給系統供電；其他時(shí)間，電池充電。

除了給電池充電，MAX8671X通過(guò)SYS輸出和多個(gè)內部穩壓器給系統供電。IC的充電電流同樣取自SYS節點(diǎn)。當然，輸入電流門(mén)限控制了總體SYS電流(比如，ISYS和電池充電電流之和)。

SYS可由DC或USB輸入引腳供電(如果沒(méi)有連接外部電源時(shí)則由電池供電)。如果DC和USB都連接了電源，優(yōu)先選擇DC輸入供電。設計人員可以選擇USB和交流適配器作為MAX8671X的輸入電源，也可以選擇兩者之一供電。邏輯輸入PEN1和PEN2用來(lái)選擇雙輸入、單輸入的正確限流。DC輸入電流門(mén)限可調至1A，DC和USB輸入都支持100mA、500mA和USB掛起模式。

合理設計穩壓器以延長(cháng)電池使用壽命
MAX8671X內部的5路高效穩壓器都具有低功耗特性，可有效延長(cháng)電池使用壽命。除了重載情況下保持高效外，穩壓器在輕負載時(shí)也可以保持較高效率，從而進(jìn)一步提高電池壽命。因為子系統工作時(shí)可能有幾百毫安的峰值負載，而大部分時(shí)間的負載電流遠遠低于這一數值。因此在這樣一個(gè)系統中，針對平時(shí)較低的負載電流進(jìn)行優(yōu)化，而不是優(yōu)化在最高負載，有助于進(jìn)一步延長(cháng)電池使用壽命。

很多便攜式系統多數時(shí)間處于“睡眠”狀態(tài)。如果穩壓器只是在滿(mǎn)負荷時(shí)具有高效(>90%)，而在空閑模式下效率較低(60%)，這種穩壓器可能會(huì )很快耗盡電池能量。MAX8671X穩壓器有效解決了這一問(wèn)題，在重載(可為系統負載提供最大425mA)下效率可達96%，當負載電流只有1mA時(shí)仍可保持高達85%的效率。

3路可調節開(kāi)關(guān)穩壓器(REG1、REG2和REG3)均可提供最大425mA的電流，開(kāi)關(guān)頻率為2MHz，大大減小了外部電感和電容尺寸的要求。由外部電阻設定每路穩壓器的輸出電壓。

其余2路穩壓器(REG4和REG5)為低壓差(LDO)線(xiàn)性穩壓器，可提供最大為150mA的電流。REG5為系統的USB收發(fā)器供電，只有在連接USB電源的情況下才工作。REG4在沒(méi)有DC或USB電源的情況下由電池供電。這兩個(gè)LDO有助于延長(cháng)電池壽命，為系統設計人員提供了靈活性。由于它們可以接受較寬的輸入電壓范圍(1.7～5.5V)，可進(jìn)一步降低功耗。最小1.7V的輸入電壓使這些LDO可以從某個(gè)降壓型DC/DC轉換器的輸出(而不是直接由電池)供電。

內部電池充電器管理
PMIC的雙輸入充電器部分可以接受USB電源或交流適配器供電。由于集成了智能電源選擇技術(shù)和用于管理充電過(guò)程的狀態(tài)控制邏輯，能夠完成所有電源控制和充電功能。圖3所示為充電曲線(xiàn)。為了支持各種不同的電池容量，充電電流最大可調節至1A。

圖3 充電曲線(xiàn)

充電器使能后，電池在有效的DC和/或USB輸入下開(kāi)啟一次充電周期。首先檢查電池電壓，確定電池是否處于深度放電(電壓低于預設閾值3.0V)。如果電池處于深度放電，充電器將進(jìn)入安全預充模式，電池以快充電流的1/10充電。一旦電池電壓超過(guò)3.0V，充電器將進(jìn)入快充模式，以設定的電流為電池充電。

隨著(zhù)充電的繼續，電池電壓上升到電池的滿(mǎn)充電壓(通過(guò)BVSET引腳選擇)，充電電流開(kāi)始逐漸下降。當充電電流下降至所設定的快充電流的4%時(shí)，充電器進(jìn)入短暫的浮充模式，然后終止充電。充電停止后，如果電池電壓隨后下降到電池滿(mǎn)充電壓下120mV，將重新開(kāi)始充電，定時(shí)器復位。這可以保證電池在任何時(shí)間都維持或在接近滿(mǎn)充狀態(tài)，而且不會(huì )出現過(guò)充。

充電速度由下面幾個(gè)因素決定：電池電壓、USB/DC輸入電流限制、充電電流設置電阻(RCISET)、ISYS以及管心溫度。MAX8671X為了防止輸入過(guò)載和過(guò)熱，可自動(dòng)將充電電流降至某個(gè)低于所設置的充電速率的數值。

從USB端取電
MAX8671X的USB引腳為限流電源輸入，為SYS端提供最大500mA的電流。連接USB和SYS的限流開(kāi)關(guān)也是一個(gè)工作在降壓模式的線(xiàn)性穩壓器，即使在USB輸入發(fā)生故障達到14V的情況下，這個(gè)線(xiàn)性穩壓器也能防止SYS電壓超出5.3V。

USB引腳在應用中通常連接到USB口的VBUS線(xiàn)。它通過(guò)第二個(gè)電源使能(PEN2)和USB掛起(USUS)數字控制輸入支持USB規范的限流設置，可以設置在三種電流限的一種。對于低功率USB模式，限流為100mA；對于大功率USB模式，限流為500mA；對于USB掛起和未配置的On-the-Go(OTG)模式，限流為0.11mA(典型值)。
當USB輸入電壓低于欠壓門(mén)限(VUSBL：4V，典型值)或低于電池電壓時(shí)，認為輸入電源失效，將被關(guān)閉。同樣，如果USB輸入電壓高于過(guò)壓門(mén)限(VUSBH：6.9V，典型值)時(shí)，也被關(guān)閉。

為了滿(mǎn)足高速USB規范，每個(gè)連接設備都必須在內部配置為低功率模式。USB枚舉過(guò)后，如果得到USB主機的容許，設備可以從低功率切換到高功率。MAX8671X不進(jìn)行枚舉，但它依靠系統與USB主機進(jìn)行通信。主機會(huì )決定正確的電流限制，并通過(guò)PEN1、PEN2和USUS輸入發(fā)送命令。

內部熱管理
MAX8671X包含熱管理功能，即使在散熱條件不理想的小型手持設備中也能夠避免過(guò)熱。當管芯溫度超過(guò)+100℃時(shí)，它會(huì )按照5%/℃降低輸入電流。任何情況下，ISYS的供電優(yōu)先級高于充電電流，所以，降低輸入電流時(shí)首先降低的是充電電流。如果充電電流降低后，結溫仍然達到+120℃，則不再從輸入電源吸取電流，由電池為系統負載供電。片內溫度限制電路與熱敏電阻輸入(THM)無(wú)關(guān)，工作過(guò)程也相互獨立，THM輸入一般使用外部熱敏電阻監測電池溫度(典型應用)。