動態(tài)電源路徑管理的高效開關模式充電器系統(tǒng)設計注意事項

圖 2 輸入電壓型動態(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而不使適配器崩潰。對于諸如智能電話和平板電腦等便攜式設備來說，系統(tǒng)負載通常隨高脈動電流而動態(tài)變化。即使是充電電流已經(jīng)降至零，如果脈動系統(tǒng)峰值功率高于輸入功率，那會出現(xiàn)什么情況呢？在沒有主動控制的情況下，輸入電源可能會崩潰。

一種解決方案是增加適配器額定功率，但這會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(tǒng)補充額外功率，以對電池臨時放電。因此，電池會開啟 MOSFET Q4 來提供額外功率，從而實現(xiàn)電池放電而充電。組合使用 DPM 控制和電池補充功率模式，可實現(xiàn)對適配器的優(yōu)化，以支持平均功率而非最大峰值系統(tǒng)功率，達到降低成本和實現(xiàn)最小解決方案尺寸的目的。
提高系統(tǒng)性能設計考慮
一些便攜式電源系統(tǒng)，例如：平板電腦和智能電話等，要求具有一種“快速開機”功能，以提升用戶體驗。這就意味著，不客電池是完全充電還是深度放電，當連接適配器時系統(tǒng)都要能夠快速開啟。

讓我們來回顧圖 1-2 所示系統(tǒng)，并使用一個單節(jié)鋰離子電池系統(tǒng)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(tǒng)，V_BUS 的系統(tǒng)總線電壓與電池電壓相同。一塊電壓為 3V 的深度放電電池，其電壓不足以開啟系統(tǒng)。終端用戶需要等電池充電至 3.4V 之后，才能開啟系統(tǒng)。為了支持系統(tǒng)快速開機，需要添加一個 MOSFET Q4，讓系統(tǒng)在線性模式下工作，以維持最小系統(tǒng)工作電壓，并同時對深度放電的電池充電。最小系統(tǒng)電壓由開關式轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)，而充電電流則由 LDO 模式通過控制 MOSFET Q4 來調(diào)節(jié)。一旦電池電壓達到最小系統(tǒng)工作電壓，MOSFET Q4 便完全開啟。它的充電電流通過同步降壓轉(zhuǎn)換器的占空比調(diào)節(jié)。因此，系統(tǒng)電壓始終維持在最小系統(tǒng)工作電壓和驅(qū)動系統(tǒng)的最大電池電壓之間。

如何延長電池工作時間呢？當然，電池容量越高，電池工作時間也就越長。就單節(jié)電池供電系統(tǒng)而言，典型的最小系統(tǒng)電壓為 3.4V 左右，以達到系統(tǒng)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 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 顯示了一個使用集成 MOSFET 的高效、單節(jié)電池 I²C 電池充電器舉例。該充電器同時支持 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。同時集成了 4 個功率 MOSFET，而 MOSFET Q1 和 Q4 用于檢測輸入電流和電池充電電流，目的是進一步最小化系統(tǒng)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單獨的充電器使用內(nèi)部默認充電電流、充電電壓、安全計時器和輸入電流限制對電池充電—即使系統(tǒng)為關閉狀態(tài)。它還擁有 USB OTG 功能，可讓充電器工作在增壓模式下，通過電池為 USB 輸入端提供 5V/1.3A 輸出。

圖 3 使用動態(tài)電源管理的 4A I²C 高效開關模式充電器