摘要

　　隨著便攜式終端產(chǎn)品處理能力的不斷提升以及功能的不斷豐富，終端產(chǎn)品的功耗也越來越大，因此待機(jī)時(shí)間就成為產(chǎn)品的關(guān)鍵性能指標(biāo)之一。由于便攜式終端設(shè)備受到體積的限制，不能簡(jiǎn)單地通過不斷增加單節(jié)鋰電池容量來延長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間，因此主電池+備電池的雙電池供電方案不啻成為延長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間的優(yōu)選方案。本文介紹了基于充電管理芯片bq24161 以及ORing 控制芯片TPS2419 的雙電池供電方案的設(shè)計(jì)，文中分析了雙電池供電方案的設(shè)計(jì)要求，給出了設(shè)計(jì)框圖以及原理圖，在此基礎(chǔ)上分析了充電管理電路、ORing 電路的具體設(shè)計(jì)方法，并且詳細(xì)分析了各部分電路的工作原理。基于所設(shè)計(jì)的電路，對(duì)其供電可靠性等性能指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試內(nèi)容包括在靜態(tài)負(fù)載電流以及動(dòng)態(tài)負(fù)載電流條件下，備電插入、拔出過程中對(duì)系統(tǒng)供電可靠性的測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明：該方案能夠在備電插入、拔出過程中保證系統(tǒng)供電的可靠性，并且能夠?qū)Τ潆姽芾黼娐愤M(jìn)行靈活管理，是一個(gè)適合于多種終端設(shè)備的雙電池供電解決方案。

　　1 概述

　　當(dāng)今智能手機(jī)、便攜式路由器等便攜式終端產(chǎn)品正朝著體積更小、厚度更薄以及重量更輕的趨勢(shì)發(fā)展。但是隨著便攜式終端產(chǎn)品處理能力的不斷提升以及功能的不斷豐富，其功耗卻越來越大。在電池技術(shù)沒有得到突破之前，主電池+備電池的雙電池解決方案就成為延長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間較好的方案。主電池設(shè)計(jì)在機(jī)殼內(nèi)部，處于常在的狀態(tài)，備電設(shè)計(jì)在機(jī)殼外部，可以隨意拔插。基于主電池+備電池的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，雙電供電方案的設(shè)計(jì)要求主要包括以下兩個(gè)方面：

　　1） 備電池在拔插過程中要保證系統(tǒng)供電的可靠性；

　　2） 備電池通路與主電池通路之間不會(huì)相互影響；

　　3） 對(duì)主電池以及備電池可以進(jìn)行靈活的充電管理。

　　圖1 給出了基于bq24161+TPS2419 的雙電池供電方案的設(shè)計(jì)框圖。主電池與備電池的充電管理分別由兩片充電管理芯片bq24161 進(jìn)行單獨(dú)控制。bq24161 是高集成度的帶有動(dòng)態(tài)路徑管理功能（DPPM）的單節(jié)鋰電池充電管理芯片。主處理器與 bq24161 通過 總線進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)主電池以及備電池的充電管理，其中包括對(duì)充電電流、充電電壓、狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制等功能的靈活控制。TPS2419 是適用于N+1 供電系統(tǒng)的ORing 電路控制器，它與低導(dǎo)通電阻N 溝道MOSFET 配合使用， 在獲得MOSFET 高效性能的同時(shí)，也提供了ORing 二極管反向電流保護(hù)功能。TPS2419 通過對(duì)電源電壓以及系統(tǒng)電壓的檢測(cè)來打開或者關(guān)斷對(duì)應(yīng)通路MOSFET。一方面TPS2419 及時(shí)打開MOSFET 可以保證電源對(duì)系統(tǒng)供電的及時(shí)性和可靠性，另外一方面TPS2419迅速關(guān)斷MOSFET 可以防止及減小系統(tǒng)電壓到輸入端電源的反灌電流。ORing 電路冗余設(shè)計(jì)的特性保證了主電池與備電池電源通路互為備用的同時(shí)，也保證了備電插拔過程中系統(tǒng)電壓的安全性及可靠性。

　　圖 1 基于bq24161+TPS2419 的雙電池供電方案框圖

　　2 電路設(shè)計(jì)方法分析

　　2.1 電路設(shè)計(jì)原理圖

　　圖2 基于bq24161+TPS2419 的雙電池供電方案原理圖

　　電路原理圖中U1、U2 是充電管理芯片bq24161，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)主電池以及備電池的充電管理功能。U3、U4 是ORing 控制器TPS2419，實(shí)現(xiàn)主電池電源通路與備電池電源通路互為備用的雙電源供電結(jié)構(gòu)。

　　充電管理芯片bq24161 具有適配器檢測(cè)的功能，可以檢測(cè)到適配器的插入或者拔出。當(dāng)插入電源適配器或者USB 充電線后，bq24161 會(huì)有相應(yīng)的標(biāo)志寄存器置位，由于默認(rèn)配置下IN 輸入通道相對(duì)于USB 輸入通道享有更高的優(yōu)先級(jí)，因此電流會(huì)從IN 輸入通道提供。Host 可以通過I2C 接口讀取U1、U2 充電管理芯片內(nèi)部寄存器的信息，并且通過I2C 接口實(shí)現(xiàn)對(duì)主電、備電充電管理的靈活控制。在使能充電之前需要配置的參數(shù)包括充電電壓、充電電流、充電終止電流、輸入限流、VIN-DPM的門檻值等。

　　Host 主機(jī)根據(jù)具體的需求控制U1、U2 充電使能或終止，可以同時(shí)使能主電、備電的充電，也可以控制主電、備電的充電優(yōu)先級(jí)。當(dāng)同時(shí)使能主電、備電的充電，如果適配器的輸入電流能力能夠同時(shí)滿足主電、備電充電的需求，那么U1、U2 可以按照配置的充電電流給主電、備電同時(shí)充電。如果電源適配器的電流不能同時(shí)滿足充電的需求，bq24161 的VIN-DPM功能就會(huì)被激活，會(huì)自動(dòng)減小輸入限流點(diǎn)以保證輸入電壓穩(wěn)定在所設(shè)置的VIN-DPM的門檻電壓，內(nèi)部寄存器DPM_STATUS 位也會(huì)置位，此時(shí)主、備電的充電電流都不能達(dá)到設(shè)定的值，此時(shí)Host 主機(jī)可以控制主電、備電的優(yōu)先級(jí)，比如關(guān)斷備電充電讓主電先充電，主電充電完成后備電再開始充電。

　　U3、U4 是ORing 控制器TPS2419，實(shí)現(xiàn)主電與備電互為備用的雙電源供電結(jié)構(gòu)。當(dāng)備電作為系統(tǒng)供電電源時(shí)，在備電突然拔出的條件下，U3 能夠迅速打開主電通路以保證系統(tǒng)電壓的可靠性。當(dāng)電壓較高的備電突然插入時(shí)，U4 會(huì)打開備電源通路，由備電提供系統(tǒng)供電。

　　2.2 充電管理電路設(shè)計(jì)

　　bq24161 是高度集成的開關(guān)型高效率單節(jié)鋰離子電池充電管理芯片，支持IN 和USB 雙通道輸入，最大充電電流可以達(dá)到2.5A。bq24161 具有基于輸入電壓的動(dòng)態(tài)功率管理功能（Vin-DPM）和動(dòng)態(tài)功率路徑管理功能（DPPM）。 其中VIN-DPM功能可以在充電器無法完全提供系統(tǒng)及充電電流能力的情況下， 自動(dòng)調(diào)整減小輸入電流門限值，使輸入端口電壓維持在一定的門檻值，防止適配器（或USB 電源）當(dāng)機(jī)，另外Vin-DPM 的門檻值可以靈活地進(jìn)行編程設(shè)置。因此，bq24161 可與具有不同電流能力的適配器（USB 電源）配合使用。在DPPM 功能中，若SYS 電壓由于負(fù)載原因跌落到最小系統(tǒng)電壓（VMINSYS），bq24161 會(huì)自動(dòng)減小充電電流，以滿足系統(tǒng)的供電需求。如果充電電流減小停止充電后都滿足不了系統(tǒng)的供電需求，bq24161 會(huì)立即進(jìn)入補(bǔ)電模式，即電池向系統(tǒng)放電來滿足系統(tǒng)負(fù)載的需求，從而保證系統(tǒng)電壓的可靠性以及系統(tǒng)正常工作。因此，bq24161 能夠在保證系統(tǒng)供電可靠性的條件下，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的靈活充電管理，并且能夠在電池過放或者電池不在位的條件下保證系統(tǒng)的正常供電。

　　充電管理電路部分的線路設(shè)計(jì)主要包括U1 和U2。U1 實(shí)現(xiàn)對(duì)主電池的充電管理，U2 實(shí)現(xiàn)對(duì)備電池的充電管理，兩者充電管理部分設(shè)計(jì)參數(shù)基本相同，因此這里只對(duì)主電池管理電路即U1電路部分進(jìn)行討論。

　　當(dāng)前市場(chǎng)上的終端產(chǎn)品大多對(duì)外只設(shè)一個(gè)接口兼容USB 和適配器電源輸入。 因此本文設(shè)計(jì)中IN 和USB 輸入端口是連接在一起的，主處理器可以通過內(nèi)部寄存器來設(shè)置兩個(gè)電源輸入通道的優(yōu)先級(jí)來分別滿足適配器充電以及USB 充電的需求。由于bq24161 工作模式為開關(guān)型， 因此需要在IN 端口以及USB 端口分別就近連接1uF 的輸入電容到地作旁路濾波作用。

　　對(duì)于功率電感的設(shè)計(jì)，bq24161 推薦的功率電感的選擇范圍為1.5uH~2.2uH，為了盡量地減小紋波電流、提高效率，本設(shè)計(jì)選取2.2uH 的電感，其峰值電流計(jì)算如下：

　　 （1）

　　取VINMAX =10V ，VOUT = 4.2V ， ILOAD（MAX ） = 2.5A計(jì)算峰值電流 IPEAK = 2.87A，因此選擇TDK LTF5022T-2R2N3R2 電感，其直流電流可以達(dá)到3.2A。

　　bq24161采用的是內(nèi)部補(bǔ)償方式，為了保證其工作穩(wěn)定性，要求輸出電容在10uF~200uF之間，本設(shè)計(jì)中選取10uF的陶瓷電容作為輸出電容。為了盡量減小開關(guān)過程中高頻電流環(huán)路的面積，需要在PMIDI以及PMIDU引腳分別放置4.7uF的陶瓷電容。另外SYS引腳以及BAT引腳對(duì)地也需要放置1uF的陶瓷電容。另外如果設(shè)計(jì)場(chǎng)合對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)有要求，那么建議在SYS端對(duì)地增加容值至少為47uF的旁路電容，以提高充電管理電路動(dòng)態(tài)性能。

　　主處理器通過 總線與bq24161 之間進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)控制寄存器及狀態(tài)寄存器的配置和讀取。STAT 引腳是一個(gè)開漏極輸出口，可以用來對(duì)bq24161 的工作狀態(tài)進(jìn)行顯示，設(shè)計(jì)中可以用來驅(qū)動(dòng)LED 燈來顯示不同的工作狀態(tài)，或者可以連接到主處理器的GPIO 口以供主處理器直接讀取。INT 引腳也是一個(gè)開漏極輸出口，可以與主處理器的外部觸發(fā)中斷相連，當(dāng)報(bào)警發(fā)生時(shí)可以觸發(fā)主處理器的中斷，主處理器可以及時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的報(bào)警處理。另外CD 引腳是硬件關(guān)斷控制，當(dāng)為“高”時(shí)bq24161 會(huì)設(shè)置在高阻抗模式下，主處理器可以根據(jù)需要對(duì)CD 引腳進(jìn)行靈活控制。

　　BGATE 引腳是用來提供PMOSFET Q1 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，Q1 是可選擇性設(shè)計(jì)，主要目的是為了在電池放電條件下優(yōu)化放電通路的性能。Q1 與bq24161 內(nèi)部的放電MOSFET 并聯(lián)使用，并聯(lián)后的導(dǎo)通阻抗更小，這樣就可以減小放電MOSFET 上的損耗，從而提高效率，延長(zhǎng)產(chǎn)品的續(xù)航時(shí)間。

　　本設(shè)計(jì)中，備電的充電管理電路硬件設(shè)計(jì)與主電相同，因此可以參考主電的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。