隨著諸如平板電腦和智能手機等便攜式設備的迅速增長和不斷涌現，要想實施電池管理以達到更高的電池供電系統性能，變得越來越困難。電池管理系統必須擁有一定的智能，以支持各種適配器類型和電池化學物質，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電源管理 (DPM) 控制來提高電池充電性能，以防止系統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 英尺平板電腦應用，可用于 6 Ah 以上的高電池組容量。平板電腦要求具有優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。這些要求給設計人員帶來了諸多設計挑戰。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，如何在系統保持運行的同時，對深度放電的電池進行充電。最后是如何提高散熱性能。
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動態電源路徑管理
如何最大化有效功率，從而實現快速、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，我們如何在最大化功率輸出的同時防止電源崩潰呢？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 控制的高效開關模式充電器。MOSFET Q2 和 Q3 以及電感 L 組成一個同步開關降壓式電池充電器。這種組成方法達到了最高電池充電效率，充分利用適配器功率，從而實現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，以監控適配器電流。
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MOSFET Q4 用于主動監測和控制電池充電電流，以實現 DPM。當輸入功率足以同時支持系統負載和電池充電時，使用 I_CHG 理想充電電流值對電池充電。如果系統負載 I_SYS 突然增加，并且其總適配器電流達到電流限制設置 I_REF，則輸入電流調節環路主動進行調節，并將輸入電流維持在預定義輸入基準電流 I_REF 電平。通過降低充電電流并優先為系統供電，讓其達到最高系統性能，可以實現這個目標。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，同時在系統和電池充電之間動態地共享有效功率。 ?
圖 1 輸入電流型動態電源管理
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如果系統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，并為輸入電壓調節環路的誤差放大器提供輸入。類似地，如果系統負載增加，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，并最終達到預定義的最小輸入電壓。
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激活輸入電壓調節環路，以將輸入電壓維持在預定義電壓電平。自動降低充電電流，以使來自輸入電源的總電流達到其最大值，而輸入電源又不會崩潰。因此，系統現在便可以追蹤適配器的最大輸入電流。利用這種方法設計輸入調節電壓，其電壓仍然高到足以對電池完全充電。例如，可以將它設置為 4.35V 左右，以對一個單節鋰離子電池組進行完全充電。
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圖 2 輸入電壓型動態電源管理
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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備來說，系統負載通常隨高脈動電流而動態變化。即使是充電電流已經降至零，如果脈動系統峰值功率高于輸入功率，那會出現什么情況呢？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，可實現對適配器的優化，以支持平均功率而非最大峰值系統功率，達到降低成本和實現最小解決方案尺寸的目的。
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提高系統性能設計考慮
一些便攜式電源系統，例如：平板電腦和智能電話等，要求具有一種“快速開機”功能，以提升用戶體驗。這就意味著，不客電池是完全充電還是深度放電，當連接適配器時系統都要能夠快速開啟。
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讓我們來回顧圖 1-2 所示系統，并使用一個單節鋰離子電池系統作為舉例。如果在不使用MOSFET Q4 的情況下將電池直接連接至系統，V_BUS 的系統總線電壓與電池電壓相同。一塊電壓為 3V 的深度放電電池，其電壓不足以開啟系統。終端用戶需要等電池充電至 3.4V 之后，才能開啟系統。為了支持系統快速開機，需要添加一個 MOSFET Q4，讓系統在線性模式下工作，以維持最小系統工作電壓，并同時對深度放電的電池充電。最小系統電壓由開關式轉換器調節，而充電電流則由 LDO 模式通過控制 MOSFET Q4 來調節。一旦電池電壓達到最小系統工作電壓，MOSFET Q4 便完全開啟。它的充電電流通過同步降壓轉換器的占空比調節。因此，系統電壓始終維持在最小系統工作電壓和驅動系統的最大電池電壓之間。
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如何延長電池工作時間呢？當然，電池容量越高，電池工作時間也就越長。就單節電池供電系統而言，典型的最小系統電壓為 3.4V 左右，以達到系統所要求的 3.3V輸出。如果 MOSFET Q4 的導通電阻為 50 mΩ，并且電池放電電流為 3A，則電池終止電壓為 3.55V。這就意味著 15% 以上的電池容量未用，殘留在電池中。為了最大化電池工作時間，MOSFET Q4 的導通電阻必須設計的盡可能地小，例如：10 mΩ。
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圖 3 顯示了一個使用集成 MOSFET 的高效、單節電池 I²C 電池充電器舉例。該充電器同時支持 USB 和 AC 適配器輸入，適用于平板電腦和便攜式媒體設備應用。同時集成了 4 個功率 MOSFET，而 MOSFET Q1 和 Q4 用于檢測輸入電流和電池充電電流，目的是進一步最小化系統解決方案尺寸。這種充電器可以檢測到 USB 和適配器電源之間的切換，以快速建立正確的輸入電流限制。另外，充電器還可以作為一個單獨的充電器使用內部默認充電電流、充電電壓、安全計時器和輸入電流限制對電池充電—即使系統為關閉狀態。它還擁有 USB OTG 功能，可讓充電器工作在增壓模式下，通過電池為 USB 輸入端提供 5V/1.3A 輸出。 ?
圖 3 使用動態電源管理的 4A I²C 高效開關模式充電器
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對于一些超薄設計的便攜式設備來說散熱性能至關重要，因為用戶很容易便能感覺到 PCB 電路板的發熱情況。為了克服這個缺點，使用優化的高效、優秀布局設計非常重要。要想進一步提高熱性能，需使用一個熱調節環路。一旦達到預定義的結溫，它便通過降低充電電流來確保不超出最高結溫。圖 4 顯示了測量得到的電池充電效率。利用 5V USB 輸入，可以獲得高達 94% 的效率。9V 輸入和 4A 充電電流時，溫度僅升高了 32°C。
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圖 4 不同充電電流的測得電池充電效率
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總結
電池補充模式的動態電源管理對于電池充電系統性能優化至關重要。輸入電流和輸入電壓型 DPM 均用于在對電池充電的同時為系統供電，并提供快速開機功能。另外，本文還討論了電池工作時間和熱性能等重要設計考慮因素。