基于bq24161+TPS2419 雙電池供電方案的設(shè)計(jì)分析

2.2 充電管理電路設(shè)計(jì)

bq24161 是高度集成的開(kāi)關(guān)型高效率單節(jié)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(dá)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(tǒng)及充電電流能力的情況下， 自動(dòng)調(diào)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(dāng)機(jī)，另外Vin-DPM 的門(mén)檻值可以靈活地進(jìn)行編程設(shè)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(fù)載原因跌落到最小系統(tǒng)電壓(VMINSYS)，bq24161 會(huì)自動(dòng)減小充電電流，以滿足系統(tǒng)的供電需求。如果充電電流減小停止充電后都滿足不了系統(tǒng)的供電需求，bq24161 會(huì)立即進(jìn)入補(bǔ)電模式，即電池向系統(tǒng)放電來(lái)滿足系統(tǒng)負(fù)載的需求，從而保證系統(tǒng)電壓的可靠性以及系統(tǒng)正常工作。因此，bq24161 能夠在保證系統(tǒng)供電可靠性的條件下，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(tǒng)的正常供電。

充電管理電路部分的線路設(shè)計(jì)主要包括U1 和U2。U1 實(shí)現(xiàn)對(duì)主電池的充電管理，U2 實(shí)現(xiàn)對(duì)備電池的充電管理，兩者充電管理部分設(shè)計(jì)參數(shù)基本相同，因此這里只對(duì)主電池管理電路即U1電路部分進(jìn)行討論。

當(dāng)前市場(chǎng)上的終端產(chǎn)品大多對(duì)外只設(shè)一個(gè)接口兼容USB 和適配器電源輸入。 因此本文設(shè)計(jì)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(nèi)部寄存器來(lái)設(shè)置兩個(gè)電源輸入通道的優(yōu)先級(jí)來(lái)分別滿足適配器充電以及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(duì)于功率電感的設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)選取2.2uH 的電感，其峰值電流計(jì)算如下：

(1)

取VINMAX =10V ，VOUT = 4.2V ， ILOAD(MAX ) = 2.5A計(jì)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(dá)到3.2A。

bq24161采用的是內(nèi)部補(bǔ)償方式，為了保證其工作穩(wěn)定性，要求輸出電容在10uF~200uF之間，本設(shè)計(jì)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(duì)地也需要放置1uF的陶瓷電容。另外如果設(shè)計(jì)場(chǎng)合對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)有要求，那么建議在SYS端對(duì)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) 總線與bq24161 之間進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)bq24161 的工作狀態(tài)進(jìn)行顯示，設(shè)計(jì)中可以用來(lái)驅(qū)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(dāng)報(bào)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(yīng)的報(bào)警處理。另外CD 引腳是硬件關(guān)斷控制，當(dāng)為“高”時(shí)bq24161 會(huì)設(shè)置在高阻抗模式下，主處理器可以根據(jù)需要對(duì)CD 引腳進(jìn)行靈活控制。

BGATE 引腳是用來(lái)提供PMOSFET Q1 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，Q1 是可選擇性設(shè)計(jì)，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(nèi)部的放電MOSFET 并聯(lián)使用，并聯(lián)后的導(dǎo)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(zhǎng)產(chǎn)品的續(xù)航時(shí)間。

本設(shè)計(jì)中，備電的充電管理電路硬件設(shè)計(jì)與主電相同，因此可以參考主電的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.3 ORing 電路設(shè)計(jì)

ORing 電路是通過(guò)兩片TPS2419 來(lái)實(shí)現(xiàn)的，TPS2419 是適用于N+1 供電系統(tǒng)的ORing 電路控制器，其精確的電壓檢測(cè)和可編程的關(guān)斷門(mén)限可以充分保證系統(tǒng)供電的靈活性和可靠性。其中A、C 引腳為電壓檢測(cè)輸入引腳，分別連接N-MOSFET 的源極和漏極，當(dāng)母線電壓VC 低于供電電壓VA，并且滿足V(A-C)>65mV 時(shí)，TPS2419 會(huì)迅速打開(kāi)外部的N-MOSFET 管。當(dāng)母線電壓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(shè)置，默認(rèn)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(duì)不同的條件對(duì)TPS2419ORing 電路的工作原理進(jìn)行分析，圖3 是備電插入、拔出系統(tǒng)供電流程圖。

圖3 備電插入、拔出系統(tǒng)供電流程圖

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

2) 當(dāng)主電池給系統(tǒng)供電時(shí)，拔出備電，因?yàn)榇藭r(shí)備電通路MOSFET 沒(méi)有打開(kāi)，拔出備電對(duì)VSYS 沒(méi)有任何影響，VSYS 仍然由主電來(lái)提供。

3) 當(dāng)備電給系統(tǒng)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(shì)，當(dāng)VSYS 電壓跌落到主電通路VBAT1_SYS-VSYS>65mV 的導(dǎo)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(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)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(tǒng)供電的可靠性。

下面先來(lái)分析討論一下主電通路TPS2419 電路的設(shè)計(jì)，如圖3 所示。

圖4 主電池通路ORing 電路設(shè)計(jì)

TPS2419 的A、C 引腳電壓檢測(cè)輸入引腳，用來(lái)檢測(cè)外部MOSFET 上的壓降，分別連接MOSFET 的源極和漏極，分別連接470nF 的去耦電容。對(duì)于MOSFET 的選擇要考慮電壓等級(jí)、Rdson、尺寸、驅(qū)動(dòng)電壓等級(jí)以及成本等因素。本設(shè)計(jì)中采用CSD16412Q5A 型N-MOSFET，其VDS 電壓等級(jí)為25V，RDS(on) 只有13mΩ 。為了最大程度減小對(duì)TPS2419 內(nèi)部電源的干擾，BYP 引腳需要連接一個(gè)2.2nF 的去耦電容。GATE 引腳提供外部MOSFET 的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，其強(qiáng)健的驅(qū)動(dòng)能力可以使得TPS2419 在100-200ns 的時(shí)間里迅速的關(guān)斷外部MOSFET，為了防止過(guò)快的電流變化對(duì)電路的影響，需要GATE 引腳與MOSFET 的柵極之間串聯(lián)一個(gè)10 Ω ~200 Ω的電阻，本設(shè)計(jì)中選取30 Ω 電阻R13。RSET 引腳是用力設(shè)置MOSFET 的關(guān)斷門(mén)檻，如下式：

(2)

負(fù)的關(guān)斷門(mén)檻可以防止由于總線上噪聲引起的誤關(guān)斷動(dòng)作，但也會(huì)造成大的反向電流;正的關(guān)斷門(mén)檻可以防止或減小反向電流，但是對(duì)噪聲的敏感度高， 易在輕載時(shí)不斷關(guān)斷、重起。由于本設(shè)計(jì)是針對(duì)電池的應(yīng)用，輸入電源噪聲很小，另外負(fù)載電流不太大，為了盡量防止反向電流引起的電池之間互充，可以設(shè)置關(guān)斷門(mén)檻為0mV，因此取 。

EN 引腳為T(mén)PS2419 的使能控制，為了最大限度的減小系統(tǒng)待機(jī)時(shí)候的靜態(tài)電流，當(dāng)系統(tǒng)處于待機(jī)條件下OREN1 信號(hào)拉低，TPS2419 處于不使能狀態(tài)，靜態(tài)電流可以維持在最小，此時(shí)系統(tǒng)的供電經(jīng)過(guò)肖特基二極管D2 來(lái)提供。

圖4 是備電通路TPS2419 電路的設(shè)計(jì)

圖5 備電池通路ORing 電路設(shè)計(jì)

備電池通路與主電池通路TPS2419 電路設(shè)計(jì)基本相同，只是MOSFET 管的設(shè)計(jì)稍有區(qū)別。對(duì)于相同部分的電流這里不再贅述，只對(duì)MOSFET 部分進(jìn)行分析討論。如果在應(yīng)用中需要關(guān)斷備電池的放電，如果選用單MOSFET 的設(shè)計(jì)，當(dāng)OREN2 設(shè)置TPS2419 處于不使能狀態(tài)時(shí)，如果備電池電壓高于VSYS 時(shí)，電流就會(huì)從外部MOSFET 的體二極管流向VSYS，從而不能斷開(kāi)備電的放電，因此這里需要采用對(duì)管的結(jié)構(gòu)，這樣就可以完全切斷備電放電的通路。