隨著諸如平板電腦和智能手機等便攜式設(shè)備的迅速增長和不斷涌現(xiàn)，要想實施電池管理以達(dá)到更高的電池供電系統(tǒng)性能，變得越來越困難。電池管理系統(tǒng)必須擁有一定的智能，以支持各種適配器類型和電池化學(xué)物質(zhì)，并提高電池充電效率。與此同時，提供良好的用戶體驗也越來越重要，例如：系統(tǒng)快速開機、長電池使用時間和快速充電等。本文將討論如何利用輸入電流和輸入電壓型動態(tài)電源管理 (DPM) 控制來提高電池充電性能，以防止系統(tǒng)崩潰以及最大化適配器有效功率，并為您說明延長電池工作時間的一些重要設(shè)計考慮因素。
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引言
終端用戶對于快速充電和高效充電的需求日益增長。鋰離子 (Li-Ion) 電池是一種理想的選擇，因為其擁有非常高的能量密度。這種電池具有高充電電流，能夠很好地適用于 10 英尺平板電腦應(yīng)用，可用于 6 Ah 以上的高電池組容量。平板電腦要求具有優(yōu)異的散熱性能和快速開機特性，即使是深度放電的電池也是如此。這些要求給設(shè)計人員帶來了諸多設(shè)計挑戰(zhàn)。首先是，如果最大化電源的有效功率，以高效、快速地對電池充電同時電源不能崩潰。其次是，如何在系統(tǒng)保持運行的同時，對深度放電的電池進(jìn)行充電。最后是如何提高散熱性能。
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動態(tài)電源路徑管理
如何最大化有效功率，從而實現(xiàn)快速、高效的電池充電呢？所有電源都有其輸出電流或者功率限制。例如，高速 USB (USB2.0) 端口的最大輸出電流為 500 mA，而超高速 USB (USB3.0) 端口的最大輸出電流為 900 mA。如果系統(tǒng)功率需求超出電源的有效功率，電源便會崩潰。對電池充電時，我們?nèi)绾卧谧畲蠡β瘦敵龅耐瑫r防止電源崩潰呢？我們使用了三種控制方法：輸入電流型 DPM、輸入電壓型 DPM 和電池補充模式。
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圖 1 顯示了使用 DPM 控制的高效開關(guān)模式充電器。MOSFET Q2 和 Q3 以及電感 L 組成一個同步開關(guān)降壓式電池充電器。這種組成方法達(dá)到了最高電池充電效率，充分利用適配器功率，從而實現(xiàn)了最為快速的電池充電。MOSFET Q1 用作一個電池反向阻塞 MOSFET，目的是防止電池漏電通過 MOSFET Q2 體二極管流至輸入。另外，它還用作一個輸入電流檢測組件，以監(jiān)控適配器電流。
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MOSFET Q4 用于主動監(jiān)測和控制電池充電電流，以實現(xiàn) DPM。當(dāng)輸入功率足以同時支持系統(tǒng)負(fù)載和電池充電時，使用 I_CHG 理想充電電流值對電池充電。如果系統(tǒng)負(fù)載 I_SYS 突然增加，并且其總適配器電流達(dá)到電流限制設(shè)置 I_REF，則輸入電流調(diào)節(jié)環(huán)路主動進(jìn)行調(diào)節(jié)，并將輸入電流維持在預(yù)定義輸入基準(zhǔn)電流 I_REF 電平。通過降低充電電流并優(yōu)先為系統(tǒng)供電，讓其達(dá)到最高系統(tǒng)性能，可以實現(xiàn)這個目標(biāo)。因此，可以在輸入電源不崩潰的情況下，始終最大化輸入功率，同時在系統(tǒng)和電池充電之間動態(tài)地共享有效功率。 ?
圖 1 輸入電流型動態(tài)電源管理
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如果系統(tǒng)連接一個無法識別其電流限制的第三方電源，則難以使用輸入電流限制型 DPM，而應(yīng)使用輸入電壓型 DPM，其控制算法如圖 2 所示。電阻分壓器 R1 和 R2 用于檢測輸入電壓，并為輸入電壓調(diào)節(jié)環(huán)路的誤差放大器提供輸入。類似地，如果系統(tǒng)負(fù)載增加，其使輸入電流超出適配器電流限制，則適配器電壓開始下降，并最終達(dá)到預(yù)定義的最小輸入電壓。
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激活輸入電壓調(diào)節(jié)環(huán)路，以將輸入電壓維持在預(yù)定義電壓電平。自動降低充電電流，以使來自輸入電源的總電流達(dá)到其最大值，而輸入電源又不會崩潰。因此，系統(tǒng)現(xiàn)在便可以追蹤適配器的最大輸入電流。利用這種方法設(shè)計輸入調(diào)節(jié)電壓，其電壓仍然高到足以對電池完全充電。例如，可以將它設(shè)置為 4.35V 左右，以對一個單節(jié)鋰離子電池組進(jìn)行完全充電。
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圖 2 輸入電壓型動態(tài)電源管理
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輸入電流和輸入電壓型 DPM 控制都可以從適配器獲取最大功率的同時而不使適配器崩潰。對于諸如智能電話和平板電腦等便攜式設(shè)備來說，系統(tǒng)負(fù)載通常隨高脈動電流而動態(tài)變化。即使是充電電流已經(jīng)降至零，如果脈動系統(tǒng)峰值功率高于輸入功率，那會出現(xiàn)什么情況呢？在沒有主動控制的情況下，輸入電源可能會崩潰。
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一種解決方案是增加適配器額定功率，但這會增加適配器的尺寸和成本。另一種方案是除適配器提供的有效功率以外再為系統(tǒng)補充額外功率，以對電池臨時放電。因此，電池會開啟 MOSFET Q4 來提供額外功率，從而實現(xiàn)電池放電而充電。組合使用 DPM 控制和電池補充功率模式，可實現(xiàn)對適配器的優(yōu)化，以支持平均功率而非最大峰值系統(tǒng)功率，達(dá)到降低成本和實現(xiàn)最小解決方案尺寸的目的。
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