动态电源路径管理的高效开关模式充电器系统设计注意事项

图 1-2 所示系统，并使用一个单节锂离子电池系统作为举例。如果在不使用MOSFET Q4 的情况下将电池直接连接至系统，V_BUS 的系统总线电压与电池电压相同。一块电压为 3V 的深度放电电池，其电压不足以开启系统。终端用户需要等电池充电至 3.4V 之后，才能开启系统。为了支持系统快速开机，需要添加一个 MOSFET Q4，让系统在线性模式下工作，以维持最小系统工作电压，并同时对深度放电的电池充电。最小系统电压由开关式转换器调节，而充电电流则由 LDO 模式通过控制 MOSFET Q4 来调节。一旦电池电压达到最小系统工作电压，MOSFET Q4 便完全开启。它的充电电流通过同步降压转换器的占空比调节。因此，系统电压始终维持在最小系统工作电压和驱动系统的最大电池电压之间。
 
如何延长电池工作时间呢？当然，电池容量越高，电池工作时间也就越长。就单节电池供电系统而言，典型的最小系统电压为 3.4V 左右，以达到系统所要求的 3.3V输出。如果 MOSFET Q4 的导通电阻为 50 mΩ，并且电池放电电流为 3A，则电池终止电压为 3.55V。这就意味着 15% 以上的电池容量未用，残留在电池中。为了最大化电池工作时间，MOSFET Q4 的导通电阻必须设计的尽可能地小，例如：10 mΩ。
 
图 3 显示了一个使用集成 MOSFET 的高效、单节电池 I²C 电池充电器举例。该充电器同时支持 USB 和 AC 适配器输入，适用于平板电脑和便携式媒体设备应用。同时集成了 4 个功率 MOSFET，而 MOSFET Q1 和 Q4 用于检测输入电流和电池充电电流，目的是进一步最小化系统解决方案尺寸。这种充电器可以检测到 USB 和适配器电源之间的切换，以快速建立正确的输入电流限制。另外，充电器还可以作为一个单独的充电器使用内部默认充电电流、充电电压、安全计时器和输入电流限制对电池充电—即使系统为关闭状态。它还拥有 USB OTG 功能，可让充电器工作在增压模式下，通过电池为 USB 输入端提供 5V/1.3A 输出。

 

 
图 3 使用动态电源管理的 4A I²C 高效开关模式充电器
 
对于一些超薄设计的便携式设备来说散热性能至关重要，因为用户很容易便能感觉到 PCB 电路板的发热情况。为了克服这个缺点，使用优化的高效、优秀布局设计非常重要。要想进一步提高热性能，需使用一个热调节环路。一旦达到预定义的结温，它便通过降低充电电流来确保不超出最高结温。图 4 显示了测量得到的电池充电效率。利用 5V USB 输入，可以获得高达 94% 的效率。9V 输入和 4A 充电电流时，温度仅升高了 32°C。
 

 
图 4 不同充电电流的测得电池充电效率
 
总结
电池补充模式的动态电源管理对于电池充电系统性能优化至关重要。输入电流和输入电压型 DPM 均用于在对电池充电的同时为系统供电，并提供快速开机功能。另外，本文还讨论了电池工作时间和热性能等重要设计考虑因素。