如何讓電源為電池充電提供最大功率

充電電池供電設(shè)備的設(shè)計(jì)人員希望充電器能夠在不造成電源崩潰的情況下從電源獲得最多的電量，以便最大限度地增大充電電流，在最短時(shí)間內(nèi)完成充電。電源和電池之間的電阻是個(gè)挑戰(zhàn)性難題。本文將闡述如何設(shè)計(jì)一款充電電路，其可在不受電源與電池之間不良電阻影響的情況下，從適配器獲得最大的電源。

開關(guān)模式充電器的一般工作方式

圖 1 是基于降壓轉(zhuǎn)換器的充電器的電路模型，其中顯示了所有不理想的電阻，如電感器的直流電阻 (RIND)。

存在電阻的開關(guān)式充電器模型

充電器 IC 的輸入電源電壓來自典型的 USB 端口或壁插式適配器，然后施加在 VBUS 或 IN 引腳上。就本文而言，在該引腳上施加的電壓為 VBUS。該模型用于為給定的電池調(diào)節(jié)閥值確定最低電源電壓。

鋰離子充電器的工作方式介紹

如圖 2 所示，充電器根據(jù)電池電壓在三個(gè)主要運(yùn)行階段工作：

低電池電壓表明電池深度放電。因此電池必須先以小電流充電，直至電池電壓達(dá)到閥值 VPRECHG。這個(gè)階段稱為預(yù)充電階段。

一旦電池電壓增大到某個(gè)閥值 (VPRECHG)，就可以用前面介紹的最大電流充電。該電流通過調(diào)節(jié)環(huán)路保持，稱之為穩(wěn)流/恒流階段。

當(dāng)電池電壓增大到設(shè)定的穩(wěn)定電壓且充電電流已經(jīng)下降，電池即處于滿充狀態(tài)。在充電電流不斷下降的同時(shí)，充電器工作在穩(wěn)壓/恒壓階段。鋰離子(Li-Ion) 電池的典型穩(wěn)壓為 4.2V。

要以最快速度完成充電，充電器必須能夠提供已為其設(shè)定的最大電流，直至 VBAT = 4.2V。

要確定允許的輸入電壓最小值 (VBUS_MIN)，設(shè)計(jì)人員必須考慮下列因素：

· VBUS 和 VBAT 之間的工作電壓預(yù)留空間支持目標(biāo)充電電流范圍。

· 開關(guān)穩(wěn)壓器的最大占空比。工作電壓預(yù)留空間

MOSFET 和電感器內(nèi)部的電阻會(huì)在電流經(jīng)過時(shí)形成壓降。如果 VBUS 和 VBAT 之間的壓差過小，就無法達(dá)到目標(biāo)充電電流。例如，如果 VBUS 為 4.3V，VBAT 為4.2V，從 BUS 輸入到電池的總電阻為 150mΩ，那么到電池的最大電流是 660mA。

開關(guān)穩(wěn)壓器的最大占空比

在現(xiàn)實(shí)中沒有一款高側(cè) NMOS 降壓轉(zhuǎn)換器能夠?qū)崿F(xiàn) 100% 的占空比。在 HSFET/LSFET 開啟/關(guān)閉過程中，為了避免短路總會(huì)有停滯時(shí)間。如果占空比超過最大值，開關(guān)調(diào)穩(wěn)壓器會(huì)跳過某些 LSFET 開-啟脈沖，維持平均輸出電流/電壓。

如何計(jì)算 VBUS_MIN 閥值

VBUS_MIN 閥值是支持目標(biāo)最大充電電流及保持占空比低于降壓轉(zhuǎn)換器最大占空比所需的最低 BUS 引腳電壓-。圖 3 顯示了工作在連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) 的降壓轉(zhuǎn)換器的電感器電流和開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓。VBUS 可借助電感器的紋波電流計(jì)算，按如下方式推導(dǎo)得到。

CCM狀態(tài)下電感器電流與運(yùn)行占

(1)

在電感器的電流上升沿：

(2)

在電感器的電流下降沿：

(3)

由于紋波電流相同，則可得到 VBUS 公式。

(4)

等式 4 可以用一些假定條件加以簡化：

. 在 L=2.2μH 時(shí)，96% 占空比下紋波電流小于 300mA 。（該電流為平均電流。）在最大占空比為 96% 時(shí)，（1-D）/D 與等式中第二項(xiàng)相比僅為 4.2%。因此第三項(xiàng)可忽略。

VBUS_MIN 閥值是最大占空比下的 VBUS 電壓。

(5)

如果 VBUS 電壓低于計(jì)算所得的 VBUS_MIN 閥值，電池就無法滿充。

最低 USB 電源電壓

本節(jié)將介紹由于輸入線路電阻的存在，在使用 USB 適配器時(shí)充電器的輸入電壓可能會(huì)降低至允許值以下。USB 規(guī)范規(guī)定在全負(fù)載情況下，來自低功率端口的供電電壓經(jīng)過所有集線器和線纜輸出到器件時(shí)可能會(huì)低至 4.1V。

假定圖 1 中的輸入電源是 USB 端口，VUSB 為 5V 、串聯(lián)電阻為 0。RIN 為線纜、連接器和 PCB 線跡的合計(jì)電阻。充電器模型為理想的降壓轉(zhuǎn)換器，可達(dá)到100% 占空比。

充電器的輸入電壓 (VBUS) 必須高于電池充電穩(wěn)壓閥值VBATREG（通常為 4.2V）。假定 VUSB 的最小值為 4.75V。

(6)

假定從 USB 電源到 BUS 引腳的電阻 (R IN) 為400mΩ，表 1 所示為 USB2.0 端口和 USB 1.5A 適配器分別達(dá)到的最低 VBUS 電壓。

表 1：USB 電源對比

在最大占空比下，VBUS 接近 VBAT，故有 IUSB 略等于ICHG。將等式 5 展開可以確定給定充電電流的最低輸入電源電壓。

可根據(jù)等式 7 來判斷需要多低的線纜和連接器電阻（例如選擇更高質(zhì)量的線纜和連接器）或需要多寬/多厚的PCB線跡，才能避免充電器 BUS 引腳處出現(xiàn)過大壓降，從而最大化適配器用于為電池充電的功率。基于輸入電壓的動(dòng)態(tài)電源管理(VIN-DPM)

如果需要使用多個(gè)適配器和/或線纜和/或連接器，可能難以在設(shè)計(jì)中考慮所有的線路電阻方案。具備VIN-DPM 功能的充電器不論輸入線路電阻的大小如何-，均能防止輸入電壓陡降。

什么是 VIN-DPM？

VIN-DPM 是許多 TI 充電器采用的模擬環(huán)路。該環(huán)路的目的是在不損壞適配器的情況下最在限度地從電源獲取可用電流，即限制輸入電流（進(jìn)而得到的充電電流）以維持電源電壓在 VIN-DPM 水平。這項(xiàng)特性可在USB 端口屬于輸入電源之一時(shí)采用。

在無 VIN-DPM 功能下運(yùn)行的情況

圖 4 是充電器在沒有得到 VIN-DPM 功能保護(hù)時(shí)的運(yùn)行情況。隨著系統(tǒng)負(fù)載電流和電池充電電流增大，輸入電流也隨之增大。因此電源內(nèi)阻上的壓差增大。充電器輸入引腳上的電壓低于電源提供的額定輸出電壓。此外電源（電壓源）在能提供的電流大小上受額定值的約束。當(dāng)負(fù)載電流大到維持充電電流和負(fù)載電流之和的輸入電流超過電源的電流供應(yīng)能力時(shí)，輸入電壓-就會(huì)下降，原因是輸入電容器因所需的高電流放電。當(dāng)輸入電壓降至欠壓閥值時(shí)，充電器就會(huì)關(guān)閉。在關(guān)閉這段時(shí)間內(nèi)，輸入電壓會(huì)隨著輸入電容器充電而恢復(fù)。一旦輸入電壓達(dá)到 UVLO，充電會(huì)再度開始。充電器開啟后會(huì)重復(fù)這個(gè)過程，導(dǎo)致充電電流中出現(xiàn)不理想的開關(guān)脈沖。

帶高輸入線路電阻和無VIN-DPM

VIN-DPM 的優(yōu)勢

具備 VIN-DPM 特性的充電器能通過限制輸入電流防止充電電流中出現(xiàn)不理想的開關(guān)脈沖。具體而言，當(dāng)輸入電壓下降并降至 VIN-DPM 閥值時(shí)，VIN-DPM 功能就會(huì)激活，將輸入電流降至更低的水平。這樣可以防止輸入電壓陡降至欠壓點(diǎn)?；谳斎腚妷旱膭?dòng)態(tài)電源管理 (VIN-DPM)

適配器通常能夠提供 100mA 到數(shù)安培的電流，而最新的 USB 端口能夠提供高達(dá) 1.5A 乃至更大的電流。在使用具備 VIN-DPM 功能的充電器時(shí)，便攜式設(shè)備制造商能針對有特定輸出功率限制（電流限制等）的適配器和USB 端口優(yōu)化充電器。VIN-DPM 允許使用其它較低成本的適配器、USB 端口和/或線纜。例如，如果智能電話的充電器具備 VIN-DPM 功能，就可以在不造成端口電壓陡降的情況下，使用低成本高阻USB 充電線纜從 1.5A USB 端口獲得最大充電功率。圖 5 顯示了電源的兩種不同輸入電阻給 IC 造成的影響。評估電路可以是bq24192 、bq24250、bq24260 或 bq24295 等電池充電器，配置為 1.5A 輸入電流限值、2.0A 充電電流和4.76V VIN-DPM 閥值。

電源的兩種不同輸入電阻給IC

在兩種情況下，充電均持續(xù)進(jìn)行，適配器未發(fā)生損壞。但是，在圖 5(b) 中，VIN-DPM 電路為應(yīng)對串聯(lián)電阻上的壓差降低了輸入電流限值。隨著輸入電流的降低，充電器會(huì)首先降低充電電流，然后降低系統(tǒng)負(fù)載電流。

結(jié)論

電源和充電器之間的電阻會(huì)阻礙充電器從電源獲得最大功率，導(dǎo)致電源電壓陡降，造成充電器欠壓閉鎖。已經(jīng)有了用來計(jì)算充電器所需最小電源電壓的方程式，其可計(jì)算既定電源適配器的最大充電電流。此外， VIN-DPM 特性還能動(dòng)態(tài)地降低充電器的輸入電流限值，避免適配器電壓陡降，因而允許使用多種類型的適配器和/或電源連接。