引言

終端用戶對於快速充電和高效充電的需求日益增長。鋰離子(Li-Ion)電池是一種理想的選擇，因為其擁有非常高的能量密度。這種電池具有高充電電流，能夠很好地適用於10英尺平板電腦應用，可用於6 Ah以(yi)上(shang)的(de)高(gao)電(dian)池(chi)組(zu)容(rong)量(liang)。平(ping)板(ban)電(dian)腦(nao)要(yao)求(qiu)具(ju)有(you)優(you)異(yi)的(de)散(san)熱(re)性(xing)能(neng)和(he)快(kuai)速(su)開(kai)機(ji)特(te)性(xing)，即(ji)使(shi)是(shi)深(shen)度(du)放(fang)電(dian)的(de)電(dian)池(chi)也(ye)是(shi)如(ru)此(ci)。這(zhe)些(xie)要(yao)求(qiu)給(gei)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)帶(dai)來(lai)了(le)諸(zhu)多(duo)設(she)計(ji)挑(tiao)戰(zhan)。首(shou)先(xian)是(shi)，如(ru)果(guo)最(zui)大(da)化(hua)電(dian)源(yuan)的(de)有(you)效(xiao)功(gong)率(lv)，以(yi)高(gao)效(xiao)、快速地對電池充電同時電源不能崩潰。其次是，如何在係統保持運行的同時，對深度放電的電池進行充電。最後是如何提高散熱性能。

動態電源路徑管理

如何最大化有效功率，從而實現快速、高效的電池充電呢
？所有電源都有其輸出電流或者功率限製。例如
，高速USB(USB2.0)端口的最大輸出電流為500 mA，而超高速USB(USB3.0) 端口的最大輸出電流為900 mA。ruguoxitonggonglvxuqiuchaochudianyuandeyouxiaogonglv，dianyuanbianhuibengkui。duidianchichongdianshi，womenruhezaizuidahuagonglvshuchudetongshifangzhidianyuanbengkuine？womenshiyonglesanzhongkongzhifangfa：輸入電流型DPM
、輸入電壓型DPM和電池補充模式。

圖1顯示了使用DPM控製的高效開關模式充電器。MOSFET Q2和Q3以及電感Lzuchengyigetongbukaiguanjiangyashidianchichongdianqi。zhezhongzuchengfangfadadaolezuigaodianchichongdianxiaolv
，chongfenliyongshipeiqigonglv，congershixianlezuiweikuaisudedianchichongdian。MOSFET Q1用作一個電池反向阻塞MOSFET
，目的是防止電池漏電通過MOSFET Q2體二極管流至輸入。另外，它還用作一個輸入電流檢測組件，以監控適配器電流。

MOSFET Q4用於主動監測和控製電池充電電流
，以實現DPM。當輸入功率足以同時支持係統負載和電池充電時
，使用ICHG理想充電電流值對電池充電。如果係統負載ISYS突然增加，並且其總適配器電流達到電流限製設置IREF
，則輸入電流調節環路主動進行調節，並將輸入電流維持在預定義輸入基準電流IREF電(dian)平(ping)。通(tong)過(guo)降(jiang)低(di)充(chong)電(dian)電(dian)流(liu)並(bing)優(you)先(xian)為(wei)係(xi)統(tong)供(gong)電(dian)，讓(rang)其(qi)達(da)到(dao)最(zui)高(gao)係(xi)統(tong)性(xing)能(neng)
，可(ke)以(yi)實(shi)現(xian)這(zhe)個(ge)目(mu)標(biao)。因(yin)此(ci)，可(ke)以(yi)在(zai)輸(shu)入(ru)電(dian)源(yuan)不(bu)崩(beng)潰(kui)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，始(shi)終(zhong)最(zui)大(da)化(hua)輸(shu)入(ru)功(gong)率(lv)
，同(tong)時(shi)在(zai)係(xi)統(tong)和(he)電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)之(zhi)間(jian)動(dong)態(tai)地(di)共(gong)享(xiang)有(you)效(xiao)功(gong)率(lv)。


如果係統連接一個無法識別其電流限製的第三方電源，則難以使用輸入電流限製型DPM，而應使用輸入電壓型DPM，其控製算法如圖2所示。電阻分壓器R1和R2用(yong)於(yu)檢(jian)測(ce)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)，並(bing)為(wei)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)調(tiao)節(jie)環(huan)路(lu)的(de)誤(wu)差(cha)放(fang)大(da)器(qi)提(ti)供(gong)輸(shu)入(ru)。類(lei)似(si)地(di)，如(ru)果(guo)係(xi)統(tong)負(fu)載(zai)增(zeng)加(jia)，其(qi)使(shi)輸(shu)入(ru)電(dian)流(liu)超(chao)出(chu)適(shi)配(pei)器(qi)電(dian)流(liu)限(xian)製(zhi)，則(ze)適(shi)配(pei)器(qi)電(dian)壓(ya)開(kai)始(shi)下(xia)降(jiang)，並(bing)最(zui)終(zhong)達(da)到(dao)預(yu)定(ding)義(yi)的(de)最(zui)小(xiao)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)。
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激ji活huo輸shu入ru電dian壓ya調tiao節jie環huan路lu
，以yi將jiang輸shu入ru電dian壓ya維wei持chi在zai預yu定ding義yi電dian壓ya電dian平ping。自zi動dong降jiang低di充chong電dian電dian流liu，以yi使shi來lai自zi輸shu入ru電dian源yuan的de總zong電dian流liu達da到dao其qi最zui大da值zhi
，而er輸shu入ru電dian源yuan又you不bu會hui崩beng潰kui。因yin此ci，係xi統tong現xian在zai便bian可ke以yi追zhui蹤zong適shi配pei器qi的de最zui大da輸shu入ru電dian流liu。利li用yong這zhe種zhong方fang法fa設she計ji輸shu入ru調tiao節jie電dian壓ya，其qi電dian壓ya仍reng然ran高gao到dao足zu以yi對dui電dian池chi完wan全quan充chong電dian。例li如ru
，可ke以yi將jiang它ta設she置zhi為wei4.35V左右，以對一個單節鋰離子電池組進行完全充電。


輸入電流和輸入電壓型DPM控kong製zhi都dou可ke以yi從cong適shi配pei器qi獲huo取qu最zui大da功gong率lv的de同tong時shi而er不bu使shi適shi配pei器qi崩beng潰kui。對dui於yu諸zhu如ru智zhi能neng電dian話hua和he平ping板ban電dian腦nao等deng便bian攜xie式shi設she備bei來lai說shuo，係xi統tong負fu載zai通tong常chang隨sui高gao脈mai動dong電dian流liu而er動dong態tai變bian化hua。即ji使shi是shi充chong電dian電dian流liu已yi經jing降jiang至zhi零ling，如ru果guo脈mai動dong係xi統tong峰feng值zhi功gong率lv高gao於yu輸shu入ru功gong率lv
，那na會hui出chu現xian什shen麼me情qing況kuang呢ne？在zai沒mei有you主zhu動dong控kong製zhi的de情qing況kuang下xia，輸shu入ru電dian源yuan可ke能neng會hui崩beng潰kui。

yizhongjiejuefanganshizengjiashipeiqiedinggonglv
，danzhehuizengjiashipeiqidechicunhechengben。lingyizhongfanganshichushipeiqitigongdeyouxiaogonglvyiwaizaiweixitongbuchongewaigonglv，yiduidianchilinshifangdian。yinci，dianchihuikaiqiMOSFET Q4來提供額外功率
，從而實現電池放電而充電。組合使用DPM控kong製zhi和he電dian池chi補bu充chong功gong率lv模mo式shi，可ke實shi現xian對dui適shi配pei器qi的de優you化hua，以yi支zhi持chi平ping均jun功gong率lv而er非fei最zui大da峰feng值zhi係xi統tong功gong率lv，達da到dao降jiang低di成cheng本ben和he實shi現xian最zui小xiao解jie決jue方fang案an尺chi寸cun的de目mu的de。

提高係統性能設計考慮

一些便攜式電源係統，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，當連接適配器時係統都要能夠快速開啟。

讓我們來回顧圖1-2所示係統

，並使用一個單節鋰離子電池係統作為舉例。如果在不使用MOSFET Q4的情況下將電池直接連接至係統

，VBUS的係統總線電壓與電池電壓相同。一塊電壓為3V的深度放電電池，其電壓不足以開啟係統。終端用戶需要等電池充電至3.4V之後
，才能開啟係統。為了支持係統快速開機，需要添加一個MOSFET Q4，讓rang係xi統tong在zai線xian性xing模mo式shi下xia工gong作zuo，以yi維wei持chi最zui小xiao係xi統tong工gong作zuo電dian壓ya，並bing同tong時shi對dui深shen度du放fang電dian的de電dian池chi充chong電dian。最zui小xiao係xi統tong電dian壓ya由you開kai關guan式shi轉zhuan換huan器qi調tiao節jie，而er充chong電dian電dian流liu則ze由youLDO模式通過控製MOSFET Q4來調節。一旦電池電壓達到最小係統工作電壓，MOSFET Q4便bian完wan全quan開kai啟qi。它ta的de充chong電dian電dian流liu通tong過guo同tong步bu降jiang壓ya轉zhuan換huan器qi的de占zhan空kong比bi調tiao節jie。因yin此ci
，係xi統tong電dian壓ya始shi終zhong維wei持chi在zai最zui小xiao係xi統tong工gong作zuo電dian壓ya和he驅qu動dong係xi統tong的de最zui大da電dian池chi電dian壓ya之zhi間jian。

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。就單節電池供電係統而言，典型的最小係統電壓為3.4V左右，以達到係統所要求的3.3V輸出。如果 MOSFET Q4的導通電阻為50 mΩ，並且電池放電電流為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，適用於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用於檢測輸入電流和電池充電電流，目的是進一步最小化係統解決方案尺寸。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製。另外
，充電器還可以作為一個單獨的充電器使用內部默認充電電流、充電電壓、安全計時器和輸入電流限製對電池充電—即使係統為關閉狀態。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。

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對於一些超薄設計的便攜式設備來說散熱性能至關重要
，因為用戶很容易便能感覺到PCB電路板的發熱情況。為了克服這個缺點，使用優化的高效、優(you)秀(xiu)布(bu)局(ju)設(she)計(ji)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)。要(yao)想(xiang)進(jin)一(yi)步(bu)提(ti)高(gao)熱(re)性(xing)能(neng)，需(xu)使(shi)用(yong)一(yi)個(ge)熱(re)調(tiao)節(jie)環(huan)路(lu)。一(yi)旦(dan)達(da)到(dao)預(yu)定(ding)義(yi)的(de)結(jie)溫(wen)

，它(ta)便(bian)通(tong)過(guo)降(jiang)低(di)充(chong)電(dian)電(dian)流(liu)來(lai)確(que)保(bao)不(bu)超(chao)出(chu)最(zui)高(gao)結(jie)溫(wen)。圖(tu)4顯示了測量得到的電池充電效率。利用5V USB輸入，可以獲得高達94%的效率。9V輸入和4A充電電流時，溫度僅升高了32℃。


總結

電池補充模式的動態電源管理對於電池充電係統性能優化至關重要。輸入電流和輸入電壓型DPM均用於在對電池充電的同時為係統供電，並提供快速開機功能。另外，本文還討論了電池工作時間和熱性能等重要設計考慮因素。

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