动态电源管理，实现更快速、更高效的电池充电

作者：Samuel Wong，德州仪器 (TI) 系统工程师

引言
随着对于新兴便携式设备（例如：平板电脑和智能电话等）需求的快速增长，在如何提高电池供电型系统性能方面出现了许多新的挑战。电池管理系统必须能够智能地支持不同类型的适配器和电池化学成份，并且必须拥有高效的快速充电能力。与此同时，提供良好的用户体验也非常重要，例如：系统瞬间开启、更长的电池使用时间以及快速充电等。本文将讨论如何通过动态电源管理（DPM）实现快速电池充电和提高电池充电性能。DPM帮助避免系统崩溃，并可最大化适配器的可用功率。它可以基于输入电流或者输入电压，或者与电池补充供电模式一起组合使用。本文还会介绍一些延迟电池使用时间的重要设计考虑。

锂离子（Li-Ion）电池对于便携式设备不断增长的电力需求来说是一种理想选择，因为它拥有非常高的能量密度。今天，一部10英寸屏幕的平板电脑，通常会使用一块6到10Ah容量的电池组来提供更长的工作时间。利用高容量电池，便携式设备便可拥有快速、高效的充电能力，从而实现良好的用户体验。另外，平板电脑还要求具备其它一些功能，例如：优异的散散热性能和瞬间开机的能力（即使在电池被深度放电的情况下）。这些要求带来了许多技术挑战。一个挑战是，如何在不使电源崩溃的同时，最大化电源的可用功率，以高效和快速地对电池充电。另一个挑战是，如何在系统工作的同时对深度放电的电池进行充电。最后一个挑战是，如何延迟电池使用时间和提高散热性能。

动态电源管理（DPM）
如何最大化可用功率，对电池进行快速、高效的充电？所有电源都其输出电流或者功率限制。例如，高速USB（USB 2.0）端口的最大输出电流限定在500mA，而超高速USB（USB 3.0）端口的最大输出电流为900mA。如果系统的功率需求超出电源能够提供的功率，则电源会崩溃。电池充电时，如何在使功率输出最大化的同时防止电源崩溃呢？下面，我们介绍3种控制方法：基于输入电流的DPM，基于输入电压的DPM，以及与电池补充供电模式一起使用的DPM。

基于输入电流的DPM
图1显示了使用DPM控制的高效开关模式充电器。MOSFET Q2及Q3与电感器L组成了一个同步开关降压型电池充电器。使用一个降压转换器，可确保有效转换适配器的输入功率，以实现更快速的电池充电。MOSFET Q1用作一个电池反向阻塞MOSFET，用于防止电池到输入的漏电流通过MOSFET Q2的体二极管。另外，它还起到一个输入电流检测器的作用，以监测适配器电流。

图1　基于输入电流的DPM


MOSFET Q4用于主动监测和控制电池充电电流，以实现DPM功能。当输入功率足以支持系统负载和电池充电时，使用理想的充电电流值ICHG来对电池充电。如果系统负载（ISYS）突然增加且其总适配器电流达到限流设置（IREF），则输入电流调节环路主动调节，并使输入电流保持在预定义IREF输入基准电流上。给予更高的优先权为系统供电，以让其达到最高性能，并同时降低充电电流，这样便可实现上述目标。因此，我们始终可以在输入功率电源不崩溃的同时最大化输入功率，并且让可用功率动态地在系统和电池充电之间共用。

基于输入电压的DPM
如果一个第三方电源插入系统，而系统却无法识别其电池限制，则难以根据输入电流限制来使用DPM。这种情况下，我们可以使用基于输入电压的DPM（图2）。电阻分压器R1和R2用于检测输入电压，然后馈给输入电压调节环路的误差放大器。同样，如果系统负载增加，致使输入电流超出适配器的电流限制，则适配器电压开始下降，并最终达到预设的最小输入电压。输入电压调节环路被激活，以让输入电压维持在预设水平。通过自动降低充电电流以便让来自输入功率电源的总电流达到其最大值（电源不崩溃），可以完成这项工作。因此，系统可以追踪适配器的最大输入电流。设计输入电压调节的目的是，让电压保持足够高，以便对电池完全充电。例如，可把电压设置为4.35V左右，以对一块单节锂离子电池组完全充电。

图2 基于输入电压的DPM

电池补充供电模式
基于输入电流或者输入电压的DPM可在电源不崩溃的情况下从适配器获得最大功率。对于一些便携式设备而言，例如：智能电话和平板电脑等，系统负载通常是动态的，并且有高脉冲电流。即使是充电电流已降至零，如果出现脉冲电流的系统的峰值功率高于输入功率怎么办？如果不主动控制，则输入功率电源可能会崩溃。

一种解决方案是，增加适配器的额定功率，但这会增加适配器的体积和成本。另一种解决方案是，开启MOSFET Q4对电池放电而非充电，从而暂时性地为系统提供更多的功率。组合运用DPM控制和电池补充供电模式，可优化适配器，以提供平均功率而非最大峰值系统功率，从而降低成本，并实现最小的解决方案尺寸。