隨著對於新興便攜式設備(例如：平板電腦和智能電話等)xuqiudekuaisuzengchang
，zairuhetigaodianchigongdianxingxitongxingnengfangmianchuxianlexuduoxindetiaozhan。dianchiguanlixitongbixunenggouzhinengdizhichibutongleixingdeshipeiqihedianchihuaxuechengfen，bingqiebixuyongyougaoxiaodekuaisuchongdiannengli。yucitongshi，tigonglianghaodeyonghutiyanyefeichangzhongyao，liru：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IREF輸(shu)入(ru)基(ji)準(zhun)電(dian)流(liu)上(shang)。給(gei)予(yu)更(geng)高(gao)的(de)優(you)先(xian)權(quan)為(wei)係(xi)統(tong)供(gong)電(dian)，以(yi)讓(rang)其(qi)達(da)到(dao)最(zui)高(gao)性(xing)能(neng)
，並(bing)同(tong)時(shi)降(jiang)低(di)充(chong)電(dian)電(dian)流(liu)，這(zhe)樣(yang)便(bian)可(ke)實(shi)現(xian)上(shang)述(shu)目(mu)標(biao)。因(yin)此(ci)
，我(wo)們(men)始(shi)終(zhong)可(ke)以(yi)在(zai)輸(shu)入(ru)功(gong)率(lv)電(dian)源(yuan)不(bu)崩(beng)潰(kui)的(de)同(tong)時(shi)最(zui)大(da)化(hua)輸(shu)入(ru)功(gong)率(lv)
，並(bing)且(qie)讓(rang)可(ke)用(yong)功(gong)率(lv)動(dong)態(tai)地(di)在(zai)係(xi)統(tong)和(he)電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)之(zhi)間(jian)共(gong)用(yong)。

 

 

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R2yongyujianceshurudianya
，ranhoukuigeishurudianyatiaojiehuanludewuchafangdaqi。tongyang，ruguoxitongfuzaizengjia，zhishishurudianliuchaochushipeiqidedianliuxianzhi，zeshipeiqidianyakaishixiajiang，bingzuizhongdadaoyushedezuixiaoshurudianya。shurudianyatiaojiehuanlubeijihuo，yirangshurudianyaweichizaiyusheshuiping。tongguozidongjiangdichongdiandianliuyibianranglaizishurugonglvdianyuandezongdianliudadaoqizuidazhi(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：智zhi能neng電dian話hua和he平ping板ban電dian腦nao等deng，係xi統tong負fu載zai通tong常chang是shi動dong態tai的de
，並bing且qie有you高gao脈mai衝chong電dian流liu。即ji使shi是shi充chong電dian電dian流liu已yi降jiang至zhi零ling，如ru果guo出chu現xian脈mai衝chong電dian流liu的de係xi統tong的de峰feng值zhi功gong率lv高gao於yu輸shu入ru功gong率lv怎zen麼me辦ban?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 Q4bianwanquankaiqi。tadechongdiandianliutongguotongbujiangyazhuanhuanqidezhankongbilaitiaojie。suoyi，xitongdianyashizhongweichizaizuixiaoxitonggongzuodianyahezuidadianchidianyazhijian
，yiweixitonggongdian。

 

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DPM可(ke)用(yong)於(yu)為(wei)便(bian)攜(xie)式(shi)設(she)備(bei)供(gong)電(dian)

，從(cong)而(er)在(zai)對(dui)電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)的(de)同(tong)時(shi)實(shi)現(xian)係(xi)統(tong)瞬(shun)時(shi)開(kai)啟(qi)。另(ling)外(wai)
，它(ta)還(hai)表(biao)明(ming)
，增(zeng)加(jia)電(dian)池(chi)補(bu)充(chong)供(gong)電(dian)模(mo)式(shi)對(dui)於(yu)電(dian)源(yuan)係(xi)統(tong)性(xing)能(neng)優(you)化(hua)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)。我(wo)們(men)還(hai)討(tao)論(lun)了(le)其(qi)它(ta)一(yi)些(xie)設(she)計(ji)考(kao)慮(lv)，例(li)如(ru)：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。