采用電源路徑電池充電器優(yōu)化應(yīng)用

在上期中，我們對雙電源分立式和集成式儀表放大器進(jìn)行了對比，并詳細(xì)分析了三種雙電源 IA 電路。

本期，為大家?guī)淼氖恰恫捎秒娫绰窂诫姵爻潆娖鲀?yōu)化應(yīng)用》，目的是解讀如何選擇電源路徑或非電源路徑電池充電器，以及這一決策對充電 IC 功能的關(guān)鍵影響。

引言

電池選項眾多且系統(tǒng)要求各異，要想設(shè)計最佳電池充電集成電路 (IC) 以最大限度延長電池壽命并實現(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，這一決策會對充電 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節(jié)點。由于您無法控制用于為系統(tǒng)供電的電流與為電池充電的電流，因此當(dāng)您無需同時使用系統(tǒng)和為電池充電時，非電源路徑充電便是有效的選擇。剃須刀或電動自行車等應(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)同時需要充電和使用系統(tǒng)時，電源路徑充電是更好的產(chǎn)品選擇。當(dāng)電池深度放電時，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適配器獨立調(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)仍然獲得啟動所需的功率。

當(dāng)電池充電時對系統(tǒng)電流的需求較高時，Q2 MOSFET 也可以導(dǎo)通，將輸入和電池的功率結(jié)合起來，以支持系統(tǒng)負(fù)載。該功能稱為補充模式，在該模式下，器件將從電池拉取電流，對輸入電流進(jìn)行補充，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。

以下各節(jié)介紹了電源路徑拓?fù)淙绾翁岣呦到y(tǒng)性能和延長電池壽命。

最大限度地延長貨架期

產(chǎn)品在消費者購買之前可能會在運輸途中和貨架上放置數(shù)月，而消費者通常更喜歡開箱即用。由于一些國家/地區(qū)采用了新的運輸限制，限制電池在運輸前只能保存一定的電量，因此節(jié)省每一點電池容量至關(guān)重要。

在非電源路徑拓?fù)渲?，系統(tǒng)必須進(jìn)入低功耗模式，因為系統(tǒng)直接連接到電池。低功耗模式通常要求使用負(fù)載開關(guān)或其他方式將電池與系統(tǒng)相隔離。

在電源路徑拓?fù)渲?，電?FET 可以在運輸模式下斷開電池與系統(tǒng)的連接，這是產(chǎn)品消耗最低電池電流的狀態(tài)。運輸模式還可以通過關(guān)閉電池 FET 來防止電池為系統(tǒng)供電。通過設(shè)計具有電源路徑和運輸模式的充電 IC，可以在消費者插入適配器或按下電源按鈕時立即實現(xiàn)開箱即用。

執(zhí)行看門狗復(fù)位

在某些情況下，當(dāng)系統(tǒng)處理器或主機無響應(yīng)時，可能需要強制執(zhí)行硬件復(fù)位或下電上電；您可以通過看門狗復(fù)位來完成此操作。例如，在 TI 的 BQ25180 充電器器件上，當(dāng)滿足以下條件時，可以進(jìn)行硬件復(fù)位：

? 插入適配器后 15 秒或更長時間內(nèi)無 I2C 通信。

? 用戶已長時間按下復(fù)位按鈕。

? 距離上次 I2C 通信的時間超過 40s。

在硬件復(fù)位序列期間，充電器 IC 斷開系統(tǒng)與電池和適配器（如果有）的連接，等待可配置的持續(xù)時間，然后重新開啟系統(tǒng)，從而實現(xiàn)系統(tǒng)啟動和初始化。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)載開關(guān)來執(zhí)行硬件復(fù)位。

利用全部電池容量

在設(shè)計充電器 IC 時，獲得最大的電池容量是首要目標(biāo)，因為這會為用戶帶來更多的充電間隔時間。不準(zhǔn)確的終止電流 (ITERM) 監(jiān)測可能會導(dǎo)致充電終止值高于所需的 ITERM值，從而無法使用全部電池容量，如圖 2 所示。

電源路徑可通過精度更高的 ITERM 實現(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 以及精確測量低 ITERM 值以精確終止充電的能力。電源路徑通過測量流經(jīng) Q2 電池 FET 的電流，可在低值時實現(xiàn)精確的電流監(jiān)測。

圖 2. 較低的 ITERM 帶來的額外容量

圖 2 還重點說明了不準(zhǔn)確的 ITERM 監(jiān)測如何導(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影響充電電流。因此，充電終止可以在一個穩(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)。

使用電源路徑來實現(xiàn)精確的低 ITERM 類似于使用水龍頭注滿一杯水。在該類比中，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?；氐诫姵爻潆娖餍g(shù)語，通過將充電電流（從水龍頭流出的水）減小至受控且可測量的 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），而不會使電池過度充電或充電不足。

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)供電的能力會下降，這可能會對其性能和運行時間產(chǎn)生負(fù)面影響。為了最大限度地延長電池和系統(tǒng)的壽命，設(shè)計 IC 來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。通過設(shè)計電源路徑電池充電 IC，您可以通過關(guān)閉電池 FET 來最大限度地延長電池壽命 – 直接通過適配器為系統(tǒng)供電，防止系統(tǒng)使用電池供電，從而無需對電池進(jìn)行放電和充電。通過電源路徑，您可以選擇僅使用適配器為系統(tǒng)供電（如果有適配器），這會減少電池的充電循環(huán)次數(shù)并最大限度地延長其壽命。

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)壽命和可能的降級機制的因素”，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 配備運輸模式，可提供低功耗模式以節(jié)省電池電量。在運輸模式下，電池靜態(tài)電流僅為 15nA，明顯低于 BQ25180 正常工作時的 3μA 電池靜態(tài)電流?？梢詫?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 很簡單，因為它是固定的編程快速充電電流的 10%，并且可以通過 I2C 通信輕松更改。該充電器還通過補充模式優(yōu)先提供系統(tǒng)電源。

BQ25620 是一款配備電源路徑的開關(guān)降壓充電器。開關(guān)充電器在需要充電電流大于 1A 的應(yīng)用中非常有用，因為開關(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)省電池電量的運輸模式，電池靜態(tài)電流為 150nA，而補充模式可優(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 I2C 通信輕松定制。

結(jié)論

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，需要進(jìn)行權(quán)衡。具有電源路徑的電池充電器 IC 通過集成電池 FET 提供附加功能：附加電源模式（例如用于節(jié)省電池電量的運輸模式）、用于恢復(fù)無響應(yīng)主機的完整系統(tǒng)重置功能，以及用于最大限度提高電池容量以獲得更長運行時間和最大限度緩解電池疲勞的功能。這些類型的充電器 IC 將有助于提高需要同時進(jìn)行充電和使用系統(tǒng)的應(yīng)用中的電池和系統(tǒng)性能。