如何為我們的應(yīng)用選擇合適的線性充電器

1.前言

隨著電子設(shè)備變得更加智能并具有更多內(nèi)置功能，它們變得更有吸引力但也更耗電，這使得充電電池成為明顯的經(jīng)濟選擇。近年來，隨著創(chuàng)新應(yīng)用、新興技術(shù)和新電池化學(xué)物質(zhì)的出現(xiàn)，對充電器的要求不斷發(fā)展。例如，智能銀行卡、智能服裝和醫(yī)療貼片等可穿戴設(shè)備領(lǐng)域的新應(yīng)用正在推動更小、更便宜的解決方案，以及更小、更高功率密度的電池。

設(shè)計師的典型問題或顧慮包括：“我怎樣才能最大限度地延長電池運行時間？” “如何延長產(chǎn)品的保質(zhì)期？” “電池是否有可能過度放電？” “如果電池丟失或有缺陷會怎樣？” “如何讓我的產(chǎn)品與弱適配器一起工作？” 和“我可以為不同的設(shè)計和不同的電池使用相同的充電器嗎？” 

2.電源路徑

電源路徑功能在充電器內(nèi)部增加了一個開關(guān)，從而啟用單獨的輸出來為系統(tǒng)供電并為電池充電。這種架構(gòu)帶來了很多其他特性，但讓我們先看看圖 1，它顯示了一個沒有電源路徑的簡單線性充電器。系統(tǒng)輸入端和電池端連接到同一個充電器輸出節(jié)點。這種非電源路徑架構(gòu)因其簡單性和小解決方案尺寸而廣受歡迎；示例包括bq24040 和bq25100電池充電器。圖 2 顯示了 bq25100 的評估模塊 (EVM)。

圖 1：簡單的非電源路徑線性充電器圖

圖 2：bq25100 EVM

然而，這種架構(gòu)有一些限制。充電器輸出、電池端子和系統(tǒng)輸入都連接在同一點。在深度放電甚至有缺陷的電池的情況下，即使連接外部電源也可能無法為系統(tǒng)供電。電池需要充電到一定的電壓水平，系統(tǒng)才能啟動。因此，如果產(chǎn)品的電池深度放電，最終用戶可能會在插入適配器時認(rèn)為整個系統(tǒng)已經(jīng)死機，但由于系統(tǒng)無法啟動而沒有任何反應(yīng)。如果產(chǎn)品實際上有一個有缺陷的電池，系統(tǒng)可能永遠(yuǎn)不會通電。對于帶有可拆卸電池的產(chǎn)品，可以使用不同的電池組取出并更換有缺陷的電池。但如果電池嵌入設(shè)備中，

這種架構(gòu)的另一個問題是充電器只檢測進(jìn)入電池和系統(tǒng)的總電流。如果系統(tǒng)正在運行，充電器如何確定電池電流是否已達(dá)到終止水平？

解決所有這些問題的方法非常簡單——我們只需在系統(tǒng)輸入和電池端子之間添加另一個開關(guān)即可。圖 3 顯示了電源路徑線性充電器架構(gòu)。除了 Q1 場效應(yīng)晶體管 (FET) 將電流從外部源引入外，必要時再添加一個開關(guān) (Q2) 可將電池與系統(tǒng)分離。系統(tǒng)始終具有輸入電源的優(yōu)先權(quán)，并在最終用戶插入適配器時立即開啟。如果適配器有額外的電力來支持系統(tǒng)負(fù)載，則電池可以充電。

圖 3：電源路徑線性充電器圖

這種方法還允許充電器獨立監(jiān)控進(jìn)入電池的充電電流（與從適配器汲取的總電流相反），以允許正確終止并檢查任何故障情況。

該bq24072器件系列包括單機功率路徑線性充電器。bq25120A 是一款集成度更高的新型器件。除了電源路徑線性充電器外，它還集成了一個 DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換器、一個 LDO、按鈕控制器和 I2C 接口，以實現(xiàn)客戶可編程性。

運輸方式

運輸模式通常是設(shè)備的最低靜態(tài)電流狀態(tài)。制造商在產(chǎn)品出廠前立即啟用此狀態(tài)，以最大限度地延長保質(zhì)期，因此希望最終用戶收到產(chǎn)品時電池不會耗盡。運輸模式電路通過關(guān)閉電源路徑充電器中的 Q2 基本上斷開電池，以防止電池泄漏到系統(tǒng)中。當(dāng)最終用戶第一次打開產(chǎn)品時，Q2 重新打開并且電池連接到系統(tǒng)。

動態(tài)電源路徑管理 (DPPM)

DPPM 是電源路徑設(shè)備的另一個功能。它監(jiān)控設(shè)備的輸入電壓和電流，并在適配器無法支持系統(tǒng)負(fù)載時自動優(yōu)先考慮系統(tǒng)。輸入源電流在系統(tǒng)負(fù)載和電池充電之間共享。如果系統(tǒng)負(fù)載增加，此功能會降低充電電流。當(dāng)系統(tǒng)電壓下降到某個閾值時，電池可以停止充電，而是對電池進(jìn)行放電以補充系統(tǒng)電流需求。實施此功能可防止系統(tǒng)崩潰。

輸入電壓動態(tài)電源管理 (VIN-DPM)

通常與 DPPM 混淆的另一個功能是 VIN-DPM。這種機制聽起來可能非常相似，但重點卻大不相同。輸入電源或適配器具有額定功率。在某些情況下，輸入電源沒有足夠的功率來滿足設(shè)備的需求。設(shè)計人員現(xiàn)在通過不同的 USB 標(biāo)準(zhǔn)更常見地看到這一點。正在充電的設(shè)備可能需要使用各種（甚至未知的）適配器類型。如果輸入源過載并導(dǎo)致輸入電壓低于欠壓鎖定 (UVLO) 閾值，器件將關(guān)閉并停止充電。電源負(fù)載消失，適配器恢復(fù)。其電壓回升至 UVLO 以上并重新開始充電，但適配器立即再次過載并崩潰。這種不良情況稱為“打嗝模式”。

圖 4：打嗝模式

VIN-DPM 功能解決了這個問題，因為它持續(xù)監(jiān)控充電器的輸入電壓。如果輸入電壓低于某個閾值，VIN-DPM 將調(diào)節(jié)充電器以減少輸入電流負(fù)載，從而防止適配器崩潰。

現(xiàn)在我們可以看到 VIN-DPM 和 DPPM 實際上是兩個截然不同的功能。VIN-DPM 監(jiān)控適配器的輸出（或充電器的輸入）并將其保持在一定水平。DPPM 監(jiān)控充電器輸出（或系統(tǒng)軌）并將其保持在最低預(yù)定水平。這兩個功能可以很好地協(xié)同工作，以允許在不同的操作條件下平穩(wěn)運行。并非所有充電器都具有這兩種功能。我們也可以在非電源路徑充電器上實施 VIN-DPM。