文中分析了雙電池供電方案的設計要求
，給出了設計框圖以及原理圖，在此基礎上分析了充電管理電路、ORingdianludejutishejifangfa，bingqiexiangxifenxilegebufendianludegongzuoyuanli。jiyusuoshejidedianlu，duiqigongdiankekaoxingdengxingnengzhibiaojinxingleceshi。ceshineirongbaokuozaijingtaifuzaidianliuyijidongtaifuzaidianliutiaojianxia，beidiancharu、拔出過程中對係統供電可靠性的測試。測試結果表明：該方案能夠在備電插入
、拔出過程中保證係統供電的可靠性
，並且能夠對充電管理電路進行靈活管理，是一個適合於多種終端設備的雙電池供電解決方案。

1 概述

當今智能手機、便攜式路由器等便攜式終端產品正朝著體積更小、厚(hou)度(du)更(geng)薄(bo)以(yi)及(ji)重(zhong)量(liang)更(geng)輕(qing)的(de)趨(qu)勢(shi)發(fa)展(zhan)。但(dan)是(shi)隨(sui)著(zhe)便(bian)攜(xie)式(shi)終(zhong)端(duan)產(chan)品(pin)處(chu)理(li)能(neng)力(li)的(de)不(bu)斷(duan)提(ti)升(sheng)以(yi)及(ji)功(gong)能(neng)的(de)不(bu)斷(duan)豐(feng)富(fu)，其(qi)功(gong)耗(hao)卻(que)越(yue)來(lai)越(yue)大(da)。在(zai)電(dian)池(chi)技(ji)術(shu)沒(mei)有(you)得(de)到(dao)突(tu)破(po)之(zhi)前(qian)
，主(zhu)電(dian)池(chi)+備(bei)電(dian)池(chi)的(de)雙(shuang)電(dian)池(chi)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)就(jiu)成(cheng)為(wei)延(yan)長(chang)待(dai)機(ji)時(shi)間(jian)較(jiao)好(hao)的(de)方(fang)案(an)。主(zhu)電(dian)池(chi)設(she)計(ji)在(zai)機(ji)殼(ke)內(nei)部(bu)，處(chu)於(yu)常(chang)在(zai)的(de)狀(zhuang)態(tai)
，備(bei)電(dian)設(she)計(ji)在(zai)機(ji)殼(ke)外(wai)部(bu)
，可(ke)以(yi)隨(sui)意(yi)拔(ba)插(cha)。基(ji)於(yu)主(zhu)電(dian)池(chi)+備電池的結構特點，雙電供電方案的設計要求主要包括以下兩個方麵：

1) 備電池在拔插過程中要保證係統供電的可靠性
；

2) 備電池通路與主電池通路之間不會相互影響；

3) 對主電池以及備電池可以進行靈活的充電管理。

圖1給出了基於bq24161+TPS2419的雙電池供電方案的設計框圖。主電池與備電池的充電管理分別由兩片充電管理芯片bq24161進行單獨控製。bq24161是高集成度的帶有動態路徑管理功能（DPPM）的單節鋰電池充電管理芯片。主處理器與bq24161通過總線進行通信，實現對主電池以及備電池的充電管理，其中包括對充電電流
、充電電壓、狀態監測與控製等功能的靈活控製。

TPS2419是適用於N+1供電係統的ORing電路控製器，它與低導通電阻N溝道MOSFET配合使用，在獲得MOSFET高效性能的同時，也提供了ORing二極管反向電流保護功能。TPS2419通過對電源電壓以及係統電壓的檢測來打開或者關斷對應通路MOSFET。一方麵TPS2419及時打開MOSFET可以保證電源對係統供電的及時性和可靠性，另外一方麵TPS2419迅速關斷MOSFET可以防止及減小係統電壓到輸入端電源的反灌電流。ORing電路冗餘設計的特性保證了主電池與備電池電源通路互為備用的同時，也保證了備電插拔過程中係統電壓的安全性及可靠性。

2 電路設計方法分析

2.1 電路設計原理圖


電路原理圖中U1、U2是充電管理芯片bq24161，分別實現對主電池以及備電池的充電管理功能。U3、U4是ORing控製器TPS2419，實現主電池電源通路與備電池電源通路互為備用的雙電源供電結構。

充電管理芯片bq24161具有適配器檢測的功能，可以檢測到適配器的插入或者拔出。當插入電源適配器或者USB充電線後，bq24161會有相應的標誌寄存器置位，由於默認配置下IN輸入通道相對於USB輸入通道享有更高的優先級，因此電流會從IN輸入通道提供。Host可以通過I2C接口讀取U1、U2充電管理芯片內部寄存器的信息，並且通過I2C接口實現對主電、備電充電管理的靈活控製。在使能充電之前需要配置的參數包括充電電壓、充電電流、充電終止電流
、輸入限流

、VIN-DPM的門檻值等。

Host主機根據具體的需求控製U1、U2充電使能或終止，可以同時使能主電、備電的充電
，也可以控製主電、備電的充電優先級。當同時使能主電
、備電的充電
，如果適配器的輸入電流能力能夠同時滿足主電
、備電充電的需求，那麼U1
、U2可以按照配置的充電電流給主電、備電同時充電。如果電源適配器的電流不能同時滿足充電的需求
，bq24161的VIN-DPM功能就會被激活
，會自動減小輸入限流點以保證輸入電壓穩定在所設置的VIN-DPM的門檻電壓，內部寄存器DPM_STATUS位也會置位
，此時主、備電的充電電流都不能達到設定的值
，此時Host主機可以控製主電、備電的優先級，比如關斷備電充電讓主電先充電

，主電充電完成後備電再開始充電。

U3
、U4是ORing控製器TPS2419，實現主電與備電互為備用的雙電源供電結構。當備電作為係統供電電源時，在備電突然拔出的條件下，U3能夠迅速打開主電通路以保證係統電壓的可靠性。當電壓較高的備電突然插入時

，U4會打開備電源通路
，由備電提供係統供電。

2.2 充電管理電路設計

bq24161是高度集成的開關型高效率單節鋰離子電池充電管理芯片
，支持IN和USB雙通道輸入
，最大充電電流可以達到2.5A。bq24161具有基於輸入電壓的動態功率管理功能（Vin-DPM）和動態功率路徑管理功能（DPPM）。其中VIN-DPM功gong能neng可ke以yi在zai充chong電dian器qi無wu法fa完wan全quan提ti供gong係xi統tong及ji充chong電dian電dian流liu能neng力li的de情qing況kuang下xia
，自zi動dong調tiao整zheng減jian小xiao輸shu入ru電dian流liu門men限xian值zhi，使shi輸shu入ru端duan口kou電dian壓ya維wei持chi在zai一yi定ding的de門men檻kan值zhi，防fang止zhi適shi配pei器qi(或USB電源)當機
，另外Vin-DPM的門檻值可以靈活地進行編程設置。因此

，bq24161可與具有不同電流能力的適配器(USB電源)配合使用。

在DPPM功能中，若SYS電壓由於負載原因跌落到最小係統電壓（VMINSYS），bq24161會自動減小充電電流，以滿足係統的供電需求。如果充電電流減小停止充電後都滿足不了係統的供電需求

，bq24161會立即進入補電模式，即電池向係統放電來滿足係統負載的需求，從而保證係統電壓的可靠性以及係統正常工作。因此，bq24161nenggouzaibaozhengxitonggongdiankekaoxingdetiaojianxia，shixianduidianchidelinghuochongdianguanli，bingqienenggouzaidianchiguofanghuozhedianchibuzaiweidetiaojianxiabaozhengxitongdezhengchanggongdian。

充電管理電路部分的線路設計主要包括U1和U2。U1實現對主電池的充電管理，U2實現對備電池的充電管理

，兩者充電管理部分設計參數基本相同
，因此這裏隻對主電池管理電路即U1電路部分進行討論。

當前市場上的終端產品大多對外隻設一個接口兼容USB和適配器電源輸入。因此本文設計中IN和USB輸入端口是連接在一起的
，主處理器可以通過內部寄存器來設置兩個電源輸入通道的優先級來分別滿足適配器充電以及USB充電的需求。由於bq24161工作模式為開關型，因此需要在IN端口以及USB端口分別就近連接1uF的輸入電容到地作旁路濾波作用。

對於功率電感的設計，bq24161推薦的功率電感的選擇範圍為1.5uH~2.2uH，為了盡量地減小紋波電流

、提高效率，本設計選取2.2uH的電感，其峰值電流計算如下：



取VINMAX=10V，VOUT=4.2V，ILOAD(MAX)=2.5A計算峰值電流IPEAK=2.87A，因此選擇TDK LTF5022T-2R2N3R2電感
，其直流電流可以達到3.2A。

bq24161采用的是內部補償方式，為了保證其工作穩定性，要求輸出電容在10uF~200uF之間，本設計中選取10uF的陶瓷電容作為輸出電容。為了盡量減小開關過程中高頻電流環路的麵積，需要在PMIDI以及PMIDU引腳分別放置4.7uF的陶瓷電容。另外SYS引腳以及BAT引腳對地也需要放置1uF的陶瓷電容。另外如果設計場合對動態響應有要求
，那麼建議在SYS端對地增加容值至少為47uF的旁路電容
，以提高充電管理電路動態性能。

主處理器通過總線與bq24161之間進行通信，實現對相關控製寄存器及狀態寄存器的配置和讀取。STAT引腳是一個開漏極輸出口，可以用來對bq24161的工作狀態進行顯示，設計中可以用來驅動LED燈來顯示不同的工作狀態，或者可以連接到主處理器的GPIO口以供主處理器直接讀取。INTyinjiaoyeshiyigekailoujishuchukou，keyiyuzhuchuliqidewaibuchufazhongduanxianglian
，dangbaojingfashengshikeyichufazhuchuliqidezhongduan，zhuchuliqikeyijishijinxingxiangyingdebaojingchuli。lingwaiCD引腳是硬件關斷控製
，當為“高”時bq24161會設置在高阻抗模式下，主處理器可以根據需要對CD引腳進行靈活控製。

BGATE引腳是用來提供PMOSFET Q1的驅動信號
，Q1是可選擇性設計
，主要目的是為了在電池放電條件下優化放電通路的性能。Q1與bq24161內部的放電MOSFET並聯使用，並聯後的導通阻抗更小
，這樣就可以減小放電MOSFET上的損耗，從而提高效率
，延長產品的續航時間。

本設計中，備電的充電管理電路硬件設計與主電相同，因此可以參考主電的設計方法進行設計。

2.3 ORing電路設計

ORing電路是通過兩片TPS2419來實現的，TPS2419是適用於N+1供電係統的ORing電路控製器
，其精確的電壓檢測和可編程的關斷門限可以充分保證係統供電的靈活性和可靠性。其中A
、C引腳為電壓檢測輸入引腳，分別連接N-MOSFET的源極和漏極，當母線電壓VC低於供電電壓VA


，並且滿足V(A-C)>65mV時，TPS2419會迅速打開外部的N-MOSFET管。當母線電壓VC接近或者大於VA供電電壓時，TPS2419會迅速關斷外部的N-MOSFET，切斷母線電壓VC與供電電壓VA的通路。TPS2419的關斷門檻電壓差V(A-C)可以由RSET引腳電阻設置，默認典型值為3mV（RSET懸空）。

下麵在備電突然插入或者拔出的情況下，針對不同的條件對TPS2419ORing電路的工作原理進行分析，圖3是備電插入、拔出係統供電流程圖。


1) 當主電池給係統供電時，插入備電
，如果備電電壓滿足VBAT2_SYS-VSYS>65mV,那麼備電的TPS2419會打開外部的MOSFET，備電給係統供電，VSYS=VBAT2_SYS-Vdrop2

，其中Vdrop2是MOSFET上的導通壓降。對於主電的通路來說，如果此時VBAT1_SYS-VSYS滿足關斷條件
，那麼主電池通路的MOSFET會關斷，由備電給係統供電，關斷過程中VSYS電壓保持穩定，能夠保證係統供電的可靠性。如果VBAT1_SYS-VSYS不滿足關斷條件
，那麼主電的通路的MOSFET仍然導通
，此時主電備電的同時給係統供電。

2) 當主電池給係統供電時，拔出備電，因為此時備電通路MOSFET沒有打開，拔出備電對VSYS沒有任何影響
，VSYS仍然由主電來提供。

3) 當備電給係統供電時，拔出備電。在拔出備電的過程中VSYS電壓會有下降的趨勢
，當VSYS電壓跌落到主電通路VBAT1_SYS-VSYS>65mV的導通門檻時，主電回路的TPS2419會迅速打開MOSFET，VSYS電流由主電池來提供，由於TPS2419能夠迅速打開
，因此在整個切換過程中能夠保證VSYS供電的可靠性。

綜合以上幾種條件下分析，表明本文中TPS2419設計實現的ORing電路在備電突然插入或者拔出的情況下，能夠完全保證係統供電的可靠性。

下麵先來分析討論一下主電通路TPS2419電路的設計，如圖4所示。


TPS2419的A、C引腳電壓檢測輸入引腳，用來檢測外部MOSFET上的壓降
，分別連接MOSFET的源極和漏極
，分別連接470nF的去耦電容。對於MOSFET的選擇要考慮電壓等級、Rdson
、尺寸、驅動電壓等級以及成本等因素。本設計中采用CSD16412Q5A型N-MOSFET，其VDS電壓等級為25V，RDS(on)隻有13mΩ。為了最大程度減小對TPS2419內部電源的幹擾
，BYP引腳需要連接一個2.2nF的去耦電容。GATE引腳提供外部MOSFET的柵極驅動信號
，其強健的驅動能力可以使得TPS2419在100-200ns的時間裏迅速的關斷外部MOSFET
，為了防止過快的電流變化對電路的影響
，需要GATE引腳與MOSFET的柵極之間串聯一個10Ω~200Ω的電阻

，本設計中選取30Ω電阻R13。RSET引腳是用力設置MOSFET的關斷門檻，如下式：



負的關斷門檻可以防止由於總線上噪聲引起的誤關斷動作
，但也會造成大的反向電流；正的關斷門檻可以防止或減小反向電流，但是對噪聲的敏感度高，易在輕載時不斷關斷

、重(zhong)起(qi)。由(you)於(yu)本(ben)設(she)計(ji)是(shi)針(zhen)對(dui)電(dian)池(chi)的(de)應(ying)用(yong)，輸(shu)入(ru)電(dian)源(yuan)噪(zao)聲(sheng)很(hen)小(xiao)
，另(ling)外(wai)負(fu)載(zai)電(dian)流(liu)不(bu)太(tai)大(da)
，為(wei)了(le)盡(jin)量(liang)防(fang)止(zhi)反(fan)向(xiang)電(dian)流(liu)引(yin)起(qi)的(de)電(dian)池(chi)之(zhi)間(jian)互(hu)充(chong)
，可(ke)以(yi)設(she)置(zhi)關(guan)斷(duan)門(men)檻(kan)為(wei)0mV，因此取



EN引腳為TPS2419的使能控製，為了最大限度的減小係統待機時候的靜態電流，當係統處於待機條件下OREN1信號拉低，TPS2419處於不使能狀態
，靜態電流可以維持在最小，此時係統的供電經過肖特基二極管D2來提供。

圖5是備電通路TPS2419電路的設計。


備電池通路與主電池通路TPS2419電路設計基本相同，隻是MOSFET管的設計稍有區別。對於相同部分的電流這裏不再贅述，隻對MOSFET部分進行分析討論。如果在應用中需要關斷備電池的放電，如果選用單MOSFET的設計，當OREN2設置TPS2419處於不使能狀態時，如果備電池電壓高於VSYS時
，電流就會從外部MOSFET的體二極管流向VSYS，從而不能斷開備電的放電
，因此這裏需要采用對管的結構
，這樣就可以完全切斷備電放電的通路。

2.4 實驗結果分析

測試電路在靜態負載以及動態負載不同負載條件下，係統供電電壓VSYS的穩定性以及VBAT1_SYS與VBAT2_SYS之間是否相互影響：

1) 備電不在位，主電提供係統電壓VSYS
，VBAT1_SYS>VBAT2_SYS條件下插入備電。過程中不存在主電、備電切換供電過程，測試VSYS電壓的穩定性以及備電對主電通路的影響
；

2) 備電不在位，主電提供係統電壓VSYS
，VBAT1_SYS<="" p="">

3) 備電在位

，主電提供係統電壓VSYS，VBAT1_SYS>VBAT2_SYS

，拔出備電。過程中不存在主電、備電切換供電過程，測試VSYS的穩定性以及備電對主電通路的影響；

4) 備電在位，備電提供係統電壓VSYS，VBAT1_SYS<="" p="">

下麵分為靜態負載電流以及動態負載電流兩種情況，在不同工作條件下測試係統電壓VSYS的穩定性以及VBAT1_SYS與VBAT2_SYS之間是否相互影響，其中：CH1-VSYS，CH2-VBAT1_SYS

，CH3-VBAT2_SYS，CH4-ISYS。

1) 持續負載電流條件下測試

測試方法：VSYS係統供電端上加恒定3A靜態電流負載，在主電
、備電供電條件下

，測試備電插入
、拔出過程中VSYS電壓的穩定性和穩定性。


測試結果表明：在靜態電流負載條件下
，備電的插入、拔出能夠保證係統電壓VSYS電壓的穩定性以及供電的可靠性，另外備電的插入
、拔出不會對主電電源產生影響。

2) 動態負載電流條件下測試

VSYS提供功率放大電路電源，功放工作在最大功率發射條件下，動態負載電流在0~3A之間持續變化
，高低電流的持續時間均為500us，電流變化率為1A/us。測試備電插入
、拔出過程中VSYS供電的可靠性。


測試結果表明：在動態電流負載條件下，備電的插入

、拔出能夠保證係統電壓VSYS電壓的穩定性以及供電的可靠性
，另外備電的插入

、拔出不會對主電電源產生影響。

3 總結

本文主要分析了基於bq24161+TPS2419的de雙shuang電dian池chi供gong電dian方fang案an的de設she計ji方fang法fa

，並bing且qie針zhen對dui不bu同tong的de應ying用yong場chang景jing進jin行xing了le測ce試shi分fen析xi，測ce試shi結jie果guo表biao明ming該gai方fang案an能neng夠gou滿man足zu雙shuang電dian池chi供gong電dian係xi統tong的de要yao求qiu
，能neng夠gou應ying用yong於yu智zhi能neng手shou機ji、WIFI Router等多種便攜式終端產品。


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