集成調(diào)整器和電源開關(guān)的雙輸入充電器簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

便攜電子系統(tǒng)的特點(diǎn)是低成本、小尺寸、輕便。當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)充電系統(tǒng)且需要對板上系統(tǒng)供電時(shí)，采用電源管理ICMAX8671X可以方便地實(shí)現(xiàn)上述功能特點(diǎn)。MAX8671X管理充電時(shí)可以從USB管腳或外部AC/DC電源適配器獲取電源，除了具有電池充電功能外，MAX8671X內(nèi)部封裝了5個(gè)獨(dú)立的片上電源調(diào)整器，可以得到多個(gè)不同的電源輸出，并且其USB和DC輸入端具有過壓保護(hù)開關(guān)。

此方案允許設(shè)計(jì)方在零售包裝中省掉AC/DC電源適配器而將其在售后市場中提供，這樣可以減小零售時(shí)的包裝和重量，充分利用運(yùn)輸包裝箱，減小運(yùn)輸成本。生產(chǎn)銷售公司因此可以只提供USB電纜，消費(fèi)者可以通過該電纜從電腦的USB口給產(chǎn)品充電。消費(fèi)者也可以在電子消費(fèi)零售市場購買AC/DC電源適配器或AC到USB適配器。

MAX8671X集成了多種功能使其滿足多種應(yīng)用需求。5個(gè)獨(dú)立的電源調(diào)整器(3個(gè)2MHz降壓型開關(guān)電源，效率高達(dá)96%;兩個(gè)低靜態(tài)電流線性電源)可以為多個(gè)子系統(tǒng)供電，可通過AC/DC適配器或USB電纜供電;集成電源開關(guān)的鋰電池充電器管理電池充電和功率分配，并根據(jù)電壓和電流曲線設(shè)定相應(yīng)的電壓和電流。

智能電源選擇模塊集成了一個(gè)MOSFETQ3，該開關(guān)可分別作為負(fù)載開關(guān)和充電開關(guān)使用。當(dāng)沒有外部電源可用或輸入電流限制低于系統(tǒng)負(fù)載電流時(shí)，此時(shí)Q3作為負(fù)載開關(guān)，電池參與系統(tǒng)供電。當(dāng)外部電源可用且沒有過載，此時(shí)Q3作為充電開關(guān)。

集成減少混亂

為實(shí)現(xiàn)DC/USB輸入端的過壓保護(hù)、單節(jié)Li+電池充電以及在電池和外部供電電源之間切換負(fù)載，集成的電源開關(guān)必不可少。并且集成的開關(guān)和電源調(diào)整器避免使用外部MOSFET和電壓檢測器、電流檢測電阻、比較器、定時(shí)器以及其它用于電源管理的分立器件。因此減少了器件數(shù)量和占用的PCB板面積，降低成本和系統(tǒng)重量。

高效的片上電壓調(diào)整器可以減少功率損耗，可使電池壽命最大化，在重負(fù)載和輕負(fù)載時(shí)都可以提供高效率。這個(gè)特點(diǎn)對于某些子系統(tǒng)是有好處的，這些子系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)峰值負(fù)載電流可達(dá)幾百毫安，大多時(shí)間內(nèi)則遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于此峰值電流，這樣可以進(jìn)一步延長電池壽命。

很多便攜設(shè)備在使用過程中是在“睡眠”中度過的。因此，如果電壓調(diào)整器在滿負(fù)載時(shí)效率能達(dá)到90%以上而在空閑時(shí)低于60%，相比輕重負(fù)載情況下都能提供較高轉(zhuǎn)換效率的電壓調(diào)整器來說，則電池電量會更快地被消耗掉。MAX8671X可以以96%的高效率向系統(tǒng)負(fù)載提供425mA電流，當(dāng)以1mA向負(fù)載供電時(shí)，效率可維持在85%以上。

MAXIM可以提供低壓差電壓調(diào)整器，使得其輸入電源范圍可以在1.7V ~ 5.5V之間。這給予系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員較大的靈活性，可使LDO從某個(gè)片上開關(guān)電源供電，達(dá)到省電的目的。

內(nèi)部充電器管理充電周期

MAX8671X有兩個(gè)電源輸入端口，可以接受DC USB口電源或AC/DC電源，內(nèi)部邏輯框圖如圖1所示。由于內(nèi)部集成了智能電源選擇技術(shù)和狀態(tài)控制邏輯模塊，可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)充電過的控制管理。這種特點(diǎn)使MAX8671X非常適用于像智能手機(jī)、PDA、便攜式媒體播放器、GPS導(dǎo)航設(shè)備、數(shù)碼相機(jī)以及數(shù)字視頻攝像機(jī)等便攜產(chǎn)品。

芯片被使能且DC或USB電源輸入有效時(shí)，芯片將初始化一個(gè)充電周期，電壓和電流曲線如圖2所示。MAX8671X首先檢測電池電壓，如果電池電壓低于預(yù)設(shè)門限3.0V，充電器會進(jìn)入一預(yù)定模式，該模式下充電器將以最大充電電流的10%對過放的電池進(jìn)行充電。當(dāng)電池的電壓超過3.0V后，充電器進(jìn)入快速充電模式并以最大電流對電池充電。

隨著充電持續(xù)進(jìn)行，電池電壓會不斷上升;當(dāng)電池電壓快到最終電壓(可由BVSET選擇設(shè)定)時(shí)，充電電流開始下降;當(dāng)電流下降到最大快沖電流的4%時(shí)，充電狀態(tài)機(jī)將會進(jìn)入top-off狀態(tài)，此狀態(tài)過后充電過程中止。如果電池電壓隨后又比預(yù)設(shè)最終電壓低120mV時(shí)，所有的定時(shí)器被復(fù)位，充電狀態(tài)機(jī)將重新開始。

對電池的充電速率決定于電池電壓、USB/DC輸入電流限制、充電設(shè)置電阻RCISET、系統(tǒng)負(fù)載(ISYS)、結(jié)溫。MAX8671X具有自動減小充電電流以防止輸入電源過載，同時(shí)具有過溫時(shí)自動減少充電電流功能。

通過USB口供電

MAX8671X的USB管腳到系統(tǒng)輸出通道具有最高500mA的限流功能。USB到SYS的開關(guān)是一個(gè)LDO，此LDO可防止SYS輸出電壓超過5.3V。USB管腳通常和USB接口的VBUS線連接，USB管腳的三個(gè)等級電流限流功能可分別通過PEN2、USUS數(shù)字控制輸入。USB管腳的工作輸入電壓范圍為4.1V~6.6V，最大輸入電壓為14V。

當(dāng)USB管腳輸入電壓低于欠壓門限(VUSBL，典型值4V)或高于過壓門限(VUSBH，典型值6.9V)時(shí)，該管腳電壓將被視為無效。如果USB管腳電壓低于電池電壓也被視為無效。在上述情況下，USB管腳電壓會被斷開隔離。為支持USB限流規(guī)范，設(shè)置PEN2和USUS可選擇三種電流限流：低功耗USB模式下的100mA，高功耗模式下的500mA;或在USB掛起模式和無配置OTG模式下選擇掛起模式將USB電流降低到0.11mA。

根據(jù)USB2.0規(guī)范，每個(gè)USB設(shè)備初始化時(shí)需配置為低功耗模式。在USB自舉后，在USB host的控制下，USB設(shè)備可從低功率模式切換為高功率模式。MAX8671X并不執(zhí)行自舉動作，而是在系統(tǒng)之間通信后由USB主控通過PEN1、PEN2和USUS管腳發(fā)送命令給MAX8671X。當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載輸入電流超過電流限制后，SYS管腳電壓比電池電壓低82mV，超過的電流需求由電池供給。

當(dāng)結(jié)溫超過+100℃后，每升高1℃，電流限制降低5%。ISYS供電優(yōu)先級高于電池充電的優(yōu)先級，所以電流限制降低時(shí)首先會降低充電的電流。如果在限流的情況下結(jié)溫仍然會達(dá)到+120℃，則不再從USB口供電，而是全部由電池供電;此時(shí)SYS口電壓會比BAT電壓低82mV。需要說明的是，此片上溫度限流電路和THM管腳輸入是沒有關(guān)系的，并且工作也是獨(dú)立的。USB管腳不使用時(shí)可接地或懸空。當(dāng)DC和USB都供電時(shí)，DC輸入具有高優(yōu)先級，即先從DC口供電。

MAX8671智能供電選擇模塊可以在兩個(gè)外部供電輸入、電池和系統(tǒng)負(fù)載實(shí)現(xiàn)無縫切換，如圖3所示。

該切換時(shí)有如下操作。

1.當(dāng)兩個(gè)外部電源和電池都存在時(shí)，如果系統(tǒng)負(fù)載所需的電流低于輸入電流的限制，剩余的輸入功率用于電池充電;如果系統(tǒng)負(fù)載超過輸入電流的限制，則由電池補(bǔ)充不足的電流。

2.如果僅有電池而無外部電源，則系統(tǒng)由電池供電。

3.如果僅有外部電源而無電池，則系統(tǒng)由外部電源供電。

在某些情況下，外部適配器或USB口沒有足夠的電流來滿足系統(tǒng)的峰值電流需求。在此情況下，不足的電流也由電池供給。如果DC或USB供電管腳都沒有電源時(shí)，SYS管腳端負(fù)載通過集成的MOSFET低導(dǎo)通電阻通道由電池供電。一旦檢測到外部電源時(shí)，此開關(guān)自動變?yōu)殡姵爻潆婇_關(guān)。

系統(tǒng)負(fù)載超過輸入電流限制時(shí)，SYS-BAT之間的開關(guān)會打開以便從電池補(bǔ)充不足的電流。如果系統(tǒng)負(fù)載持續(xù)過流，即使檢測到外部電源也不會對電池進(jìn)行充電。一般情況下這并不是所希望發(fā)生的，因?yàn)橹刎?fù)載通?？赡苁前l(fā)生短路了。當(dāng)外部電源和電池都存在時(shí)，僅在峰值電流出現(xiàn)的情況下使用電池供電，其它情況下電池都是處于充電狀態(tài)。

溫控限流電路會降低充電電流和外部供電電流以防止MAX8671X過熱。DC輸入端最大限流為1A，DC和USB輸入端均支持100mA、500mA和USB掛起模式。充電電流可調(diào)整到1A以適應(yīng)不同容量的電池充電。

充電時(shí)，MAX8671X通過SYS向系統(tǒng)供電并且通過五個(gè)片上的電源調(diào)整器提供多種輸出電壓。充電電流也可以從SYS管腳輸入電池，所以輸入電流限制控制了SYS管腳的總電流，該電流是系統(tǒng)負(fù)載電流和電池充電電流總和。SYS可以從DC輸入管腳供電也可以從USB輸入腳供電。當(dāng)DC和USB管腳都連接電源時(shí)，DC管腳電源優(yōu)先供電。MAX8671X可以由USB或AC適配器獨(dú)立供電，也可以由單一輸入供電。PEN1和PEN2邏輯輸入可對兩輸入電源或單一輸入電源進(jìn)行限流操作。

三個(gè)開關(guān)電源(REG1,2,3)可分別提供425mA電流;高達(dá)2MHz的工作頻率可使外部電感較小，使用外部電阻調(diào)制輸出電壓。兩個(gè)LDO(REG4和REG5)可分別提供150mA供電電流。REG5主要用于系統(tǒng)USB收發(fā)器電路供電并且僅在USB輸入電源有效時(shí)才有效。REG4在沒有DC和USB電源輸入的情況下可以從電池供電。

MAX8671X的TQFN封裝占用空間小、散熱能力強(qiáng)，非常適用于便攜產(chǎn)品。該器件可用于擴(kuò)展的溫度范圍(-40℃~+85℃)，滿足更多的工業(yè)應(yīng)用。