隨著對於新興便攜式設備(例如：平板電腦和智能電話等)需(xu)求(qiu)的(de)快(kuai)速(su)增(zeng)長(chang)，在(zai)如(ru)何(he)提(ti)高(gao)電(dian)池(chi)供(gong)電(dian)型(xing)係(xi)統(tong)性(xing)能(neng)方(fang)麵(mian)出(chu)現(xian)了(le)許(xu)多(duo)新(xin)的(de)挑(tiao)戰(zhan)。電(dian)池(chi)管(guan)理(li)係(xi)統(tong)必(bi)須(xu)能(neng)夠(gou)智(zhi)能(neng)地(di)支(zhi)持(chi)不(bu)同(tong)類(lei)型(xing)的(de)適(shi)配(pei)器(qi)和(he)電(dian)池(chi)化(hua)學(xue)成(cheng)份(fen)
，並(bing)且(qie)必(bi)須(xu)擁(yong)有(you)高(gao)效(xiao)的(de)快(kuai)速(su)充(chong)電(dian)能(neng)力(li)。與(yu)此(ci)同(tong)時(shi)，提(ti)供(gong)良(liang)好(hao)的(de)用(yong)戶(hu)體(ti)驗(yan)也(ye)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)，例(li)如(ru)：係統瞬間開啟

、更長的電池使用時間以及快速充電等。本文將討論如何通過動態電源管理(DPM)實現快速電池充電和提高電池充電性能。DPM幫bang助zhu避bi免mian係xi統tong崩beng潰kui，並bing可ke最zui大da化hua適shi配pei器qi的de可ke用yong功gong率lv。它ta可ke以yi基ji於yu輸shu入ru電dian流liu或huo者zhe輸shu入ru電dian壓ya，或huo者zhe與yu電dian池chi補bu充chong供gong電dian模mo式shi一yi起qi組zu合he使shi用yong。本ben文wen還hai會hui介jie紹shao一yi些xie延yan遲chi電dian池chi使shi用yong時shi間jian的de重zhong要yao設she計ji考kao慮lv。

 

鋰離子(Li-Ion)電池對於便攜式設備不斷增長的電力需求來說是一種理想選擇，因為它擁有非常高的能量密度。今天，一部10英寸屏幕的平板電腦

，通常會使用一塊6到10Ah容量的電池組來提供更長的工作時間。利用高容量電池
，便攜式設備便可擁有快速、高效的充電能力，從而實現良好的用戶體驗。另外
，平板電腦還要求具備其它一些功能
，例如：優異的散散熱性能和瞬間開機的能力(即使在電池被深度放電的情況下)。這zhe些xie要yao求qiu帶dai來lai了le許xu多duo技ji術shu挑tiao戰zhan。一yi個ge挑tiao戰zhan是shi，如ru何he在zai不bu使shi電dian源yuan崩beng潰kui的de同tong時shi，最zui大da化hua電dian源yuan的de可ke用yong功gong率lv，以yi高gao效xiao和he快kuai速su地di對dui電dian池chi充chong電dian。另ling一yi個ge挑tiao戰zhan是shi，如ru何he在zai係xi統tong工gong作zuo的de同tong時shi對dui深shen度du放fang電dian的de電dian池chi進jin行xing充chong電dian。最zui後hou一yi個ge挑tiao戰zhan是shi
，如ru何he延yan遲chi電dian池chi使shi用yong時shi間jian和he提ti高gao散san熱re性xing能neng。

 

 

如何最大化可用功率，對電池進行快速、高效的充電?所有電源都其輸出電流或者功率限製。例如

，高速USB(USB 2.0)端口的最大輸出電流限定在500mA

，而超高速USB(USB 3.0)端口的最大輸出電流為900mA。如果係統的功率需求超出電源能夠提供的功率，則電源會崩潰。電池充電時，如何在使功率輸出最大化的同時防止電源崩潰呢?下麵，我們介紹3種控製方法：基於輸入電流的DPM

，基於輸入電壓的DPM


，以及與電池補充供電模式一起使用的DPM。

 

 

圖1顯示了使用DPM控製的高效開關模式充電器。MOSFET Q2及Q3與電感器L組成了一個同步開關降壓型電池充電器。使用一個降壓轉換器，可確保有效轉換適配器的輸入功率
，以實現更快速的電池充電。MOSFET Q1用作一個電池反向阻塞MOSFET，用於防止電池到輸入的漏電流通過MOSFET Q2的體二極管。另外，它還起到一個輸入電流檢測器的作用，以監測適配器電流。

MOSFET Q4用於主動監測和控製電池充電電流
，以實現DPM功能。當輸入功率足以支持係統負載和電池充電時，使用理想的充電電流值ICHG來對電池充電。如果係統負載(ISYS)突然增加且其總適配器電流達到限流設置(IREF)，則輸入電流調節環路主動調節，並使輸入電流保持在預定義IREFshurujizhundianliushang。geiyugenggaodeyouxianquanweixitonggongdian，yirangqidadaozuigaoxingneng，bingtongshijiangdichongdiandianliu，zheyangbiankeshixianshangshumubiao。yinci，womenshizhongkeyizaishurugonglvdianyuanbubengkuidetongshizuidahuashurugonglv，bingqierangkeyonggonglvdongtaidizaixitonghedianchichongdianzhijiangongyong。

 

 

如果一個第三方電源插入係統，而係統卻無法識別其電池限製，則難以根據輸入電流限製來使用DPM。這種情況下，我們可以使用基於輸入電壓的DPM(圖2)。電阻分壓器R1和R2用(yong)於(yu)檢(jian)測(ce)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)，然(ran)後(hou)饋(kui)給(gei)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)。同(tong)樣(yang)，如(ru)果(guo)係(xi)統(tong)負(fu)載(zai)增(zeng)加(jia)，致(zhi)使(shi)輸(shu)入(ru)電(dian)流(liu)超(chao)出(chu)適(shi)配(pei)器(qi)的(de)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)設(she)的(de)最(zui)小(xiao)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)。輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)調(tiao)節(jie)環(huan)路(lu)被(bei)激(ji)活(huo)
，以(yi)讓(rang)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)維(wei)持(chi)在(zai)預(yu)設(she)水(shui)平(ping)。通(tong)過(guo)自(zi)動(dong)降(jiang)低(di)充(chong)電(dian)電(dian)流(liu)以(yi)便(bian)讓(rang)來(lai)自(zi)輸(shu)入(ru)功(gong)率(lv)電(dian)源(yuan)的(de)總(zong)電(dian)流(liu)達(da)到(dao)其(qi)最(zui)大(da)值(zhi)(電源不崩潰)，keyiwanchengzhexianggongzuo。yinci
，xitongkeyizhuizongshipeiqidezuidashurudianliu。shejishurudianyatiaojiedemudeshi
，rangdianyabaochizugougao
，yibianduidianchiwanquanchongdian。liru，kebadianyashezhiwei4.35V左右，以對一塊單節鋰離子電池組完全充電。

 

基於輸入電流或者輸入電壓的DPM可在電源不崩潰的情況下從適配器獲得最大功率。對於一些便攜式設備而言
，例如：zhinengdianhuahepingbandiannaodeng，xitongfuzaitongchangshidongtaide
，bingqieyougaomaichongdianliu。jishishichongdiandianliuyijiangzhiling，ruguochuxianmaichongdianliudexitongdefengzhigonglvgaoyushurugonglvzenmeban?如果不主動控製，則輸入功率電源可能會崩潰。

 

一種解決方案是，增加適配器的額定功率，但這會增加適配器的體積和成本。另一種解決方案是，開啟MOSFET Q4對電池放電而非充電，從而暫時性地為係統提供更多的功率。組合運用DPM控製和電池補充供電模式，可優化適配器，以提供平均功率而非最大峰值係統功率，從而降低成本，並實現最小的解決方案尺寸。

 

如(ru)平(ping)板(ban)電(dian)腦(nao)和(he)智(zhi)能(neng)電(dian)話(hua)等(deng)便(bian)攜(xie)式(shi)設(she)備(bei)，均(jun)要(yao)求(qiu)實(shi)現(xian)瞬(shun)時(shi)開(kai)機(ji)功(gong)能(neng)，從(cong)而(er)提(ti)供(gong)良(liang)好(hao)的(de)用(yong)戶(hu)體(ti)驗(yan)。這(zhe)就(jiu)意(yi)味(wei)著(zhe)，不(bu)管(guan)電(dian)池(chi)是(shi)完(wan)全(quan)充(chong)電(dian)還(hai)是(shi)深(shen)度(du)放(fang)電(dian)，插(cha)入(ru)適(shi)配(pei)器(qi)時(shi)係(xi)統(tong)都(dou)要(yao)瞬(shun)時(shi)開(kai)啟(qi)。

 

例如，我們假設，係統使用一塊單節鋰離子電池，如圖1和2所示。如果在沒有MOSFET Q4的情況下
，電池直接連接至係統
，則係統總線電壓(VBUS)與電池電壓一樣。電壓小於3V的一塊深度放電電池，可能會阻止係統開啟。用戶可能不得不等待電池充電至3.4V以後才能開啟係統。為了支持瞬時開啟功能
，我們添加了MOSFET Q4，以便工作在線性模式下，實現對深度放電電池充電的同時維持最小係統工作電壓。最小係統電壓通過開關式轉換器調節，而Q4的充電電流則通過一個線性控製環路來調節。一旦電池電壓達到最小係統電壓
，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)來(lai)調(tiao)節(jie)。所(suo)以(yi)，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)最(zui)大(da)電(dian)池(chi)電(dian)壓(ya)之(zhi)間(jian)
，以(yi)為(wei)係(xi)統(tong)供(gong)電(dian)。

 

在一個5V的USB充電係統中，電源和電池之間的所有串行電阻都會影響充電效率。充電通路的電阻由FET Q1、Q2及Q4的“導通”電阻以及USB線纜約250 mΩ的電阻共同組成。如果線纜電壓下降，充電器輸入電壓很少能達到4.5V。因此，設計一種FET“導通”電阻最低的充電器，可以最小化充電時間
，這一點至關重要。圖3比較了使用 TI bq24190 USB/適配器充電器設計和80 mΩ充電通路額外電阻替代設計的充電時間。我們可以看到，相比另一種設計，由於輸入電壓達到4.5V，bq24190設計的充電時間縮短了20%。

 

當然，電池容量越高，電池使用時間也就越長。對於一個單電池供電的係統而言，通常要求3.3V的輸出電壓
，其典型最小係統電壓為3.4V左右。如果MOSFET Q4的“導通”電阻為50 mΩ，並且電池放電電流為3A
，則電池截止電壓為3.55V。這就意味著，超過15%的電池容量並未得到利用。為了最大化電池使用時間，MOSFET Q4的“導通”電阻必須盡可能地小。例如，“導通”電阻為10 mΩ
，並且峰值電池放電電流同樣為3A，則電池截止電壓為3.43V。相比50 mΩ的“導通”電阻，它所提供的電池電量多10%。

 

圖4顯示了一個使用集成MOSFET的高效、單電池I2C充電器舉例。這種充電器同時支持USB和AC適配器輸入，適用於平板電腦和便攜式媒體設備。集成了所有4個功率MOSFET
，同時MOSFET Q1和Q4用於檢測輸入電流和電池充電電流
，從而進一步最小化係統的解決方案尺寸。這種充電器還可區分USB端口和適配器，以快速設置正確的輸入電流限製。另外，充電器可以單獨工作(即使在係統關閉的情況下)，擁有內部默認充電電流、充電電壓、安全計時器和輸入電流限製。這種充電器還具有USB On-the-Go(OTG)功能

，其工作在增壓模式下，通過電池在USB輸入端提供5V
、1.3A輸出。

 

對dui於yu那na些xie具ju有you超chao薄bo外wai形xing的de便bian攜xie式shi設she備bei而er言yan，散san熱re性xing能neng至zhi關guan重zhong要yao，因yin為wei用yong戶hu可ke以yi很hen容rong易yi地di感gan覺jiao到dao來lai自zi印yin刷shua電dian路lu板ban的de發fa熱re情qing況kuang。這zhe種zhong熱re是shi由you一yi些xie高gao功gong耗hao組zu件jian所suo產chan生sheng
，例li如ru：電池充電器等。要想解決這個問題，使用高效的充電器和良好的電路板布局非常重要。為了進一步提高散熱性能，bq2419x係列產品內部使用了一個熱調節環路。它通過在器件達到預設結點溫度時降低充電電流，來控製最大結點溫度。圖5顯示了bq24190設計的測得電池充電效率。使用5V USB輸入時

，它的效率可高達94%。9V輸入和4A充電電流時，溫升僅32°C。

 

本文表明
，基於輸入電流或者輸入電壓的DPMkeyongyuweibianxieshishebeigongdian，congerzaiduidianchichongdiandetongshishixianxitongshunshikaiqi。lingwai，tahaibiaoming，zengjiadianchibuchonggongdianmoshiduiyudianyuanxitongxingnengyouhuazhiguanzhongyao。womenhaitaolunleqitayixieshejikaolv，liru：如何使用低電量電池實現瞬時係統開啟、電池使用時間、充電通路電阻以及散熱性能等。