本期，為大家?guī)?lái)的是《采用電源路徑電池充電器優(yōu)化應(yīng)用》，將解讀如何選擇電源路徑或非電源路徑電池充電器，以及這一決策對(duì)充電 IC 功能的關(guān)鍵影響。
引言
電池選項(xiàng)眾多且系統(tǒng)要求各異，要想設(shè)計(jì)最佳電池充電集成電路 (IC) 以最大限度延長(zhǎng)電池壽命并實(shí)現(xiàn)最佳系統(tǒng)性能，可能充滿挑戰(zhàn)。是選擇電源路徑電池充電器還是非電源路徑電池充電器，這一決策會(huì)對(duì)充電 IC 的功能產(chǎn)生重大影響。
圖 1 展示了非電源路徑器件具有一條充電路徑，其中系統(tǒng)和電池連接到同一個(gè)節(jié)點(diǎn)。由于您無(wú)法控制用于為系統(tǒng)供電的電流與為電池充電的電流，因此當(dāng)您無(wú)需同時(shí)使用系統(tǒng)和為電池充電時(shí)，非電源路徑充電便是有效的選擇。剃須刀或電動(dòng)自行車(chē)等應(yīng)用非常適合非電源路徑充電器。
圖 1. 非電源路徑和電源路徑方框圖。
由于電池中集成的 Q2 金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 使您能夠定制用于為系統(tǒng)供電的電流與為電池充電的電流，因此當(dāng)同時(shí)需要充電和使用系統(tǒng)時(shí)，電源路徑充電是更好的產(chǎn)品選擇。當(dāng)電池深度放電時(shí)，這種定制也很有用。由于深度放電的電池通常以較小的電流充電，因此電源路徑器件可以通過(guò)適配器獨(dú)立調(diào)節(jié)系統(tǒng)電流和電池電流，從而為電池提供較小的電流，確保系統(tǒng)仍然獲得啟動(dòng)所需的功率。
當(dāng)電池充電時(shí)對(duì)系統(tǒng)電流的需求較高時(shí)，Q2 MOSFET 也可以導(dǎo)通，將輸入和電池的功率結(jié)合起來(lái)，以支持系統(tǒng)負(fù)載。該功能稱(chēng)為補(bǔ)充模式，在該模式下，器件將從電池拉取電流，對(duì)輸入電流進(jìn)行補(bǔ)充，防止系統(tǒng)拉取的電流大于輸入所能提供的電流。受益于電源路徑充電器功能的典型應(yīng)用是智能手機(jī)。
以下各節(jié)介紹了電源路徑拓?fù)淙绾翁岣呦到y(tǒng)性能和延長(zhǎng)電池壽命。
最大限度地延長(zhǎng)貨架期
產(chǎn)品在消費(fèi)者購(gòu)買(mǎi)之前可能會(huì)在運(yùn)輸途中和貨架上放置數(shù)月，而消費(fèi)者通常更喜歡開(kāi)箱即用。由于一些國(guó)家/地區(qū)采用了新的運(yùn)輸限制，限制電池在運(yùn)輸前只能保存一定的電量，因此節(jié)省每一點(diǎn)電池容量至關(guān)重要。
在非電源路徑拓?fù)渲校到y(tǒng)必須進(jìn)入低功耗模式，因?yàn)橄到y(tǒng)直接連接到電池。低功耗模式通常要求使用負(fù)載開(kāi)關(guān)或其他方式將電池與系統(tǒng)相隔離。
在電源路徑拓?fù)渲校姵?FET 可以在運(yùn)輸模式下斷開(kāi)電池與系統(tǒng)的連接，這是產(chǎn)品消耗最低電池電流的狀態(tài)。運(yùn)輸模式還可以通過(guò)關(guān)閉電池 FET 來(lái)防止電池為系統(tǒng)供電。通過(guò)設(shè)計(jì)具有電源路徑和運(yùn)輸模式的充電 IC，可以在消費(fèi)者插入適配器或按下電源按鈕時(shí)立即實(shí)現(xiàn)開(kāi)箱即用。
執(zhí)行看門(mén)狗復(fù)位
在某些情況下，當(dāng)系統(tǒng)處理器或主機(jī)無(wú)響應(yīng)時(shí)，可能需要強(qiáng)制執(zhí)行硬件復(fù)位或下電上電；您可以通過(guò)看門(mén)狗復(fù)位來(lái)完成此操作。例如，在 TI 的 BQ25180 充電器器件上，當(dāng)滿足以下條件時(shí)，可以進(jìn)行硬件復(fù)位：
插入適配器后 15 秒或更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)無(wú) I2C 通信。
用戶已長(zhǎng)時(shí)間按下復(fù)位按鈕。
距離上次 I2C 通信的時(shí)間超過(guò) 40s。
在硬件復(fù)位序列期間，充電器 IC 斷開(kāi)系統(tǒng)與電池和適配器（如果有）的連接，等待可配置的持續(xù)時(shí)間，然后重新開(kāi)啟系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)啟動(dòng)和初始化。由于電池物理連接到系統(tǒng)，因此非電源路徑充電器器件中可能需要使用外部負(fù)載開(kāi)關(guān)來(lái)執(zhí)行硬件復(fù)位。
利用全部電池容量
在設(shè)計(jì)充電器 IC 時(shí)，獲得最大的電池容量是首要目標(biāo)，因?yàn)檫@會(huì)為用戶帶來(lái)更多的充電間隔時(shí)間。不準(zhǔn)確的終止電流 (ITERM) 監(jiān)測(cè)可能會(huì)導(dǎo)致充電終止值高于所需的 ITERM 值，從而無(wú)法使用全部電池容量，如圖 2 所示。
電源路徑可通過(guò)精度更高的 ITERM 實(shí)現(xiàn)最大的電池容量。在鋰離子充電曲線中，充電電流在恒壓階段逐漸減小，直至達(dá)到 ITERM，然后關(guān)閉。為了最大程度地提高電池容量，必須具有低 ITERM 以及精確測(cè)量低 ITERM 值以精確終止充電的能力。電源路徑通過(guò)測(cè)量流經(jīng) Q2 電池 FET 的電流，可在低值時(shí)實(shí)現(xiàn)精確的電流監(jiān)測(cè)。
圖 2. 較低的 ITERM 帶來(lái)的額外容量。
圖 2 還重點(diǎn)說(shuō)明了不準(zhǔn)確的 ITERM 監(jiān)測(cè)如何導(dǎo)致在 4mA（而非 1mA）終止，這意味著用戶將損失 5% 的可用 41mAhr 電池容量。由于電源路徑充電器單獨(dú)調(diào)節(jié)充電電流和系統(tǒng)電流，因此系統(tǒng)電流的任何變化都不會(huì)影響充電電流。因此，充電終止可以在一個(gè)穩(wěn)定的預(yù)定值上發(fā)生，從而最大程度地提高電池的荷電狀態(tài)。
使用電源路徑來(lái)實(shí)現(xiàn)精確的低 ITERM 類(lèi)似于使用水龍頭注滿一杯水。在該類(lèi)比中，杯子是電池，杯子中的水是電池中的電量，從水龍頭中流出來(lái)的水是充電電流。目標(biāo)是在不使水溢出的情況下盡可能注滿杯子。隨著水接近頂部，緩慢減小水龍頭的水流量，從而可以輕松控制水位，這樣就可以更輕松地實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)。如果始終使水龍頭具有最快的水流量，則可能會(huì)導(dǎo)致水溢出，或者您需要在注滿杯子之前將杯子從水龍頭移開(kāi)。回到電池充電器術(shù)語(yǔ)，通過(guò)將充電電流（從水龍頭流出的水）減小至受控且可測(cè)量的 ITERM，充電器就能夠用盡可能多的電量（杯子中的水）填充電池（杯子），而不會(huì)使電池過(guò)度充電或充電不足。
最大限度地減小電池疲勞
可充電電池經(jīng)歷多次充電和放電循環(huán)后，其為系統(tǒng)供電的能力會(huì)下降，這可能會(huì)對(duì)其性能和運(yùn)行時(shí)間產(chǎn)生負(fù)面影響。為了最大限度地延長(zhǎng)電池和系統(tǒng)的壽命，設(shè)計(jì) IC 來(lái)限制電池的總體循環(huán)次數(shù)非常重要。
圖 3 顯示鋰離子電池的電池容量隨著充電循環(huán)次數(shù)的增加而降低。通過(guò)設(shè)計(jì)電源路徑電池充電 IC，您可以通過(guò)關(guān)閉電池 FET 來(lái)最大限度地延長(zhǎng)電池壽命 – 直接通過(guò)適配器為系統(tǒng)供電，防止系統(tǒng)使用電池供電，從而無(wú)需對(duì)電池進(jìn)行放電和充電。通過(guò)電源路徑，您可以選擇僅使用適配器為系統(tǒng)供電（如果有適配器），這會(huì)減少電池的充電循環(huán)次數(shù)并最大限度地延長(zhǎng)其壽命。
圖 3. 鋰離子電池容量與充電循環(huán)數(shù)量之間的關(guān)系。
備注:“影響基于 LiCoO2 的鋰離子電池的循環(huán)壽命和可能的降級(jí)機(jī)制的因素”，電源雜志 111 (2002) 130-136。
TI 電源路徑電池充電器
BQ25180 等線性充電器在充電電流小于 1A 的應(yīng)用中很有用。BQ25180 配備運(yùn)輸模式，可提供低功耗模式以節(jié)省電池電量。在運(yùn)輸模式下，電池靜態(tài)電流僅為 15nA，明顯低于BQ25180 正常工作時(shí)的 3μA 電池靜態(tài)電流。可以對(duì) BQ25180 進(jìn)行編程，使其具有 0.5mA 的極低 ITERM，這有助于將電池充滿電。調(diào)節(jié) ITERM 很簡(jiǎn)單，因?yàn)樗枪潭ǖ木幊炭焖俪潆婋娏鞯?10%，并且可以通過(guò) I2C 通信輕松更改。該充電器還通過(guò)補(bǔ)充模式優(yōu)先提供系統(tǒng)電源。
BQ25620 是一款配備電源路徑的開(kāi)關(guān)降壓充電器。開(kāi)關(guān)充電器在需要充電電流大于 1A 的應(yīng)用中非常有用，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)充電器更適合高功率應(yīng)用。BQ25620 可支持高達(dá) 3.5A 的充電電流。它還具有用于節(jié)省電池電量的運(yùn)輸模式，電池靜態(tài)電流為 150nA，而補(bǔ)充模式可優(yōu)化系統(tǒng)性能。為了最大限度地提高電池容量，BQ25620 的 ITERM 低至10mA，并且可通過(guò) I2C 通信輕松定制。
總結(jié)
在選擇電源路徑電池充電器 IC 或非電源路徑電池充電器 IC 時(shí)，需要進(jìn)行權(quán)衡。具有電源路徑的電池充電器 IC 通過(guò)集成電池 FET 提供附加功能：附加電源模式（例如用于節(jié)省電池電量的運(yùn)輸模式）、用于恢復(fù)無(wú)響應(yīng)主機(jī)的完整系統(tǒng)重置功能，以及用于最大限度提高電池容量以獲得更長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間和最大限度緩解電池疲勞的功能。這些類(lèi)型的充電器 IC 將有助于提高需要同時(shí)進(jìn)行充電和使用系統(tǒng)的應(yīng)用中的電池和系統(tǒng)性能。
本文來(lái)源于德州儀器《模擬設(shè)計(jì)期刊》。《模擬設(shè)計(jì)期刊》由德州儀器工程師和專(zhuān)家精心撰寫(xiě)并匯編，覆蓋從基礎(chǔ)知識(shí)到先進(jìn)技術(shù)、從數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器到傳感器應(yīng)用的廣泛主題，為模擬設(shè)計(jì)新手和資深用戶提供實(shí)用信息和解決方案。 |
