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電源路徑管理提升開關(guān)充電器效率

發(fā)布時(shí)間：2012-04-01

中心議題：
  • 電源路徑管理提升開關(guān)充電器效率
解決方案：
  • MP2607采用基于輸入電壓的DPPM技術(shù)
  • 采用檢測(cè)電阻來(lái)評(píng)估輸入電流

隨著智能手機(jī)、平板電腦和攝像機(jī)等便攜設(shè)備的不斷普及，人們對(duì)電源的要求以及對(duì)邊充電邊使用這些設(shè)備的能力的要求與日俱增。更高的功率要求增加了對(duì)具有高功率密度和優(yōu)異充電能力的電池的需求。目前，鋰離子(Li-ion)電池和鋰聚合物(Li-po)電池最適合當(dāng)前市場(chǎng)對(duì)功率密度、充電能力和價(jià)格的要求。但是，有別于鉛酸、鎳氫等其他流行的電池技術(shù)，鋰電池技術(shù)的性能也最不穩(wěn)定：鋰電池充放電若管理不善，將導(dǎo)致充電時(shí)間長(zhǎng)、耗散功率高、效率低和電池壽命比平均壽命低等問(wèn)題。圖1顯示了典型鋰離子電池的充電曲線。

傳統(tǒng)充電器相對(duì)簡(jiǎn)單，這些充電器在小功率應(yīng)用中表現(xiàn)較好。然而，它們卻不能有效地適應(yīng)充電曲線的變化，比如，用戶在不同電源之間切換或者在充電期間操作設(shè)備。另外，傳統(tǒng)充電器在大功率和大電流應(yīng)用中，通常效率較低，耗散功率較大。
 

圖1：典型鋰離子電池的充電曲線。

新型線性和開關(guān)充電器，比如芯源系統(tǒng)(MPS)公司的MP2600系列，采用電源路徑管理技術(shù)改變了充電曲線，從而能夠以更低的耗散功率更加高效地為電池/系統(tǒng)供電。同時(shí)，這些充電器也使系統(tǒng)的安全性和電池的使用壽命得到提高。

電源管理拓?fù)浞N類繁多，本文則重點(diǎn)介紹以下三種：電池饋電、自動(dòng)選擇和動(dòng)態(tài)電源路徑。

電池饋電拓?fù)?br />
電池饋電拓?fù)涫且环N實(shí)現(xiàn)過(guò)程最簡(jiǎn)單、成本最低的拓?fù)?，這是因?yàn)槠潆娐酚沙潆娖鳌㈦姵睾拖到y(tǒng)組成，如圖2所示。


圖2：電池饋電拓?fù)湓韴D及信號(hào)圖。

這種拓?fù)溆腥齻€(gè)主要特性：無(wú)論供電電壓如何變化，系統(tǒng)電壓始終等于電池電壓，電源系統(tǒng)始終優(yōu)先，以便IBATT ￡ ICHG，并且ICHG最終限制由輸入電源提供給系統(tǒng)電源總線的最大功率。當(dāng)系統(tǒng)與充電器斷開時(shí)該拓?fù)溥€可以實(shí)現(xiàn)最小的耗散功率，設(shè)置ICHG從根本上限定了總輸入電流，這樣，隨著系統(tǒng)電流(ISYS)的增加，充電電流(IBATT)將等額下降，工作波形如圖2所示。

遺憾的是，這種拓?fù)溆腥缦虏蛔阒?，從而限制了它在更廣應(yīng)用領(lǐng)域的效率和效用：

在電池電壓太低的情況下，系統(tǒng)無(wú)法工作。電池電壓跌至涓流充電門限以下時(shí)，充電器將把總的輸出電流限制得很低。系統(tǒng)的額外電源需求將由電池來(lái)補(bǔ)充，從而導(dǎo)致電池能量進(jìn)一步耗盡。由于系統(tǒng)電壓始終等于電池電壓，一旦電池電壓低到系統(tǒng)最低工作電壓以下，系統(tǒng)將停止工作。

雖然電池已具有滿電量，但是充電器無(wú)法進(jìn)入EOC(結(jié)束充電)狀態(tài)。如果ISYS超過(guò)電池滿電量門限(IBF)，那么ICHG就無(wú)法降到低于IBF，充電狀態(tài)始終顯示正在充電，即使電池已經(jīng)具有滿電量。
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電池?zé)o法充滿。由于系統(tǒng)優(yōu)先于電池供電，因此電池只能以低電流進(jìn)行充電。此外，充電器只能在預(yù)期的有效充電時(shí)間內(nèi)工作，這樣可以避免給壞電池充電。如充電時(shí)間超出此時(shí)間段，會(huì)導(dǎo)致充電器誤判壞電池而停止充電。

電源路徑自動(dòng)選擇拓?fù)?/strong>

電源路徑自動(dòng)選擇拓?fù)湓陔姵刂苯哟钶d拓?fù)浠A(chǔ)上外加了兩個(gè)開關(guān)管，使得系統(tǒng)電源可以根據(jù)輸入電壓的變化在適配器和電池之間來(lái)回切換。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作波形如圖3所示。

圖3：電源路徑自動(dòng)選擇拓?fù)浼肮ぷ鞑ㄐ巍?/div>
與電池饋電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，此拓?fù)溆袑?shí)質(zhì)性的改進(jìn)。它將系統(tǒng)直接跟交流適配器相連，與充電器獨(dú)立開來(lái)，因而能夠提供更大的系統(tǒng)電流、更高的效率并且允許系統(tǒng)在低電池電壓下工作。此外，其價(jià)格也比較低廉。然而，當(dāng)適配器輸出電壓變化較大的時(shí)候，系統(tǒng)電壓也會(huì)隨之變化，所以此拓?fù)湟笙到y(tǒng)能夠接受比較寬的輸入電壓變化范圍。此外，也要求適配器具有更高的額定功率，以滿足系統(tǒng)和充電器的最大總功率需求，以及系統(tǒng)負(fù)載突變時(shí)的功率變化要求。

圖4是采用MPS公司的MP2611構(gòu)成的電源路徑自動(dòng)選擇拓?fù)涞脑韴D。為了防止出現(xiàn)不穩(wěn)定情況，當(dāng)VBATT接近VIN時(shí)，MP2611會(huì)斷開系統(tǒng)與電池的連接。此外，它還會(huì)在S1 (M1及M2)與S2(M3)之間插入一個(gè)消隱期，以防出現(xiàn)電流貫通，從而損壞系統(tǒng)和電池。

圖4：采用MP2611構(gòu)成的電源路徑自動(dòng)選擇拓?fù)洹?/div>
動(dòng)態(tài)電源路徑管理拓?fù)?DPPM)

動(dòng)態(tài)電源路徑管理(DPPM)技術(shù)采用了一套附加的檢測(cè)模塊，測(cè)量系統(tǒng)電壓或者輸入電流，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)總功率需求。一旦功率需求超過(guò)預(yù)設(shè)值，通過(guò)充電器降低充電電流來(lái)保證適配器輸出功率恒定而不過(guò)載。

例如，基于輸入電壓的DPPM(圖5)通過(guò)比較輸入電壓與預(yù)設(shè)參考電壓來(lái)判斷輸入電流是否達(dá)到適配器的輸出電流限制。若適配器電流已經(jīng)達(dá)到該限制，適配器電壓將降至預(yù)設(shè)參考電壓，然后充電器通過(guò)動(dòng)態(tài)降低充電電流來(lái)防止系統(tǒng)電壓繼續(xù)下降。只要輸入電流保持在該限制的水平或者低于該限制，就仍然有電流向電池充電。然而，由系統(tǒng)電壓下降引起的不穩(wěn)定或噪聲使得這種基于電壓的DPPM結(jié)構(gòu)不適合應(yīng)用在某些對(duì)噪聲敏感的場(chǎng)合，比如音頻設(shè)備。


圖5：基于輸入電壓的動(dòng)態(tài)電源路徑管理。
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基于輸入電流的DPPM(圖6)采用檢測(cè)電阻來(lái)評(píng)估輸入電流，當(dāng)輸入電流達(dá)到預(yù)設(shè)電流門限時(shí)，通過(guò)動(dòng)態(tài)降低電池電流來(lái)防止適配器過(guò)載或系統(tǒng)電壓下降。這樣就保證了系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定，降低了適配器的額外功率要求。同時(shí)，該拓?fù)溥€具備電池反向補(bǔ)充供電的能力。
 
圖6：基于輸入電流的動(dòng)態(tài)電源路徑管理。

有些充電器(例如MPS公司的MP2607)可以根據(jù)不同電源要求，優(yōu)化選擇不同的動(dòng)態(tài)電源路徑管理方案。MP2607根據(jù)不同的適配器類型，在基于輸入電壓和基于輸入電流的DPPM兩種拓?fù)渲g進(jìn)行智能選擇。若輸入是交流適配器，MP2607采用基于輸入電壓的DPPM技術(shù)，控制適配器交流電壓，使得交流適配器可以同時(shí)為系統(tǒng)供電和為電池充電，工作波形如圖7所示。

 


圖7：MP2607在交流適配器輸入時(shí)的動(dòng)態(tài)電源路徑管理。


在USB輸入模式下，MP2607采用基于輸入電流的DPPM。如圖8所示，考慮到USB提供電流能力有限，設(shè)置充電電流在USB限制電流以下。若系統(tǒng)負(fù)載電流大于USB限流值，電池將反向補(bǔ)充供電。

 

圖8：MP2607在USB輸入時(shí)的動(dòng)態(tài)電源路徑管理。

 
總之，具有動(dòng)態(tài)電源路徑管理的充電器(尤其是那些能在不同管理模式之間切換的充電器)可以為移動(dòng)電子設(shè)備提供更加精妙的電源解決方案，從而給用戶帶來(lái)前所未有的便利、性能和效率。
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