采用電源路徑電池充電器優化應用

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

本期，為大家帶來的是《采用電源路徑電池充電器優化應用》，將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 功能的關鍵影響。

引言

電池選項眾多且系統要求各異，要想設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最佳系統性能，可能充滿挑戰。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，其中系統和電池連接到同一個節點。由于您無法控制用于為系統供電的電流與為電池充電的電流，因此當您無需同時使用系統和為電池充電時，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 金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET) 使您能夠定制用于為系統供電的電流與為電池充電的電流，因此當同時需要充電和使用系統時，電源路徑充電是更好的產品選擇。當電池深度放電時，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節系統電流和電池電流，從而為電池提供較小的電流，確保系統仍然獲得啟動所需的功率。

當電池充電時對系統電流的需求較高時，Q2 MOSFET 也可以導通，將輸入和電池的功率結合起來，以支持系統負載。該功能稱為補充模式，在該模式下，器件將從電池拉取電流，對輸入電流進行補充，防止系統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用是智能手機。

以下各節介紹了電源路徑拓撲如何提高系統性能和延長電池壽命。

最大限度地延長貨架期

產品在消費者購買之前可能會在運輸途中和貨架上放置數月，而消費者通常更喜歡開箱即用。由于一些國家/地區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，因此節省每一點電池容量至關重要。

在非電源路徑拓撲中，系統必須進入低功耗模式，因為系統直接連接到電池。低功耗模式通常要求使用負載開關或其他方式將電池與系統相隔離。

在電源路徑拓撲中，電池 FET 可以在運輸模式下斷開電池與系統的連接，這是產品消耗最低電池電流的狀態。運輸模式還可以通過關閉電池 FET 來防止電池為系統供電。通過設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開箱即用。

執行看門狗復位

在某些情況下，當系統處理器或主機無響應時，可能需要強制執行硬件復位或下電上電；您可以通過看門狗復位來完成此操作。例如，在 TI 的 BQ25180 充電器器件上，當滿足以下條件時，可以進行硬件復位：

●   插入適配器后 15 秒或更長時間內無 I²C 通信。

●   用戶已長時間按下復位按鈕。

●   距離上次 I²C 通信的時間超過 40s。

在硬件復位序列期間，充電器 IC 斷開系統與電池和適配器（如果有）的連接，等待可配置的持續時間，然后重新開啟系統，從而實現系統啟動和初始化。由于電池物理連接到系統，因此非電源路徑充電器器件中可能需要使用外部負載開關來執行硬件復位。

利用全部電池容量

在設計充電器 IC 時，獲得最大的電池容量是首要目標，因為這會為用戶帶來更多的充電間隔時間。不準確的終止電流 (I_TERM) 監測可能會導致充電終止值高于所需的 I_TERM 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 I_TERM 實現最大的電池容量。在鋰離子充電曲線中，充電電流在恒壓階段逐漸減小，直至達到 I_TERM，然后關閉。為了最大程度地提高電池容量，必須具有低 I_TERM 以及精確測量低 I_TERM 值以精確終止充電的能力。電源路徑通過測量流經 Q2 電池 FET 的電流，可在低值時實現精確的電流監測。

圖2 較低的I_TERM帶來的額外容量

圖 2 還重點說明了不準確的 I_TERM 監測如何導致在 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節充電電流和系統電流，因此系統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定的預定值上發生，從而最大程度地提高電池的荷電狀態。

使用電源路徑來實現精確的低 I_TERM 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該目標。如果始終使水龍頭具有最快的水流量，則可能會導致水溢出，或者您需要在注滿杯子之前將杯子從水龍頭移開。回到電池充電器術語，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 I_TERM，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

可充電電池經歷多次充電和放電循環后，其為系統供電的能力會下降，這可能會對其性能和運行時間產生負面影響。為了最大限度地延長電池和系統的壽命，設計 IC 來限制電池的總體循環次數非常重要。

圖 3 顯示鋰離子電池的電池容量隨著充電循環次數的增加而降低。通過設計電源路徑電池充電 IC，您可以通過關閉電池 FET 來最大限度地延長電池壽命 – 直接通過適配器為系統供電，防止系統使用電池供電，從而無需對電池進行放電和充電。通過電源路徑，您可以選擇僅使用適配器為系統供電（如果有適配器），這會減少電池的充電循環次數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數量之間的關系

備注:“影響基于 LiCoO₂ 的鋰離子電池的循環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 的應用中很有用。BQ25180 配備運輸模式，可提供低功耗模式以節省電池電量。在運輸模式下，電池靜態電流僅為 15nA，明顯低于BQ25180 正常工作時的 3μA 電池靜態電流。可以對 BQ25180 進行編程，使其具有 0.5mA 的極低 I_TERM，這有助于將電池充滿電。調節 I_TERM 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先提供系統電源。

BQ25620 是一款配備電源路徑的開關降壓充電器。開關充電器在需要充電電流大于 1A 的應用中非常有用，因為開關充電器更適合高功率應用。BQ25620 可支持高達 3.5A 的充電電流。它還具有用于節省電池電量的運輸模式，電池靜態電流為 150nA，而補充模式可優化系統性能。為了最大限度地提高電池容量，BQ25620 的 I_TERM 低至10mA，并且可通過 I²C 通信輕松定制。

總結

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，需要進行權衡。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（例如用于節省電池電量的運輸模式）、用于恢復無響應主機的完整系統重置功能，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行充電和使用系統的應用中的電池和系統性能。

本文來源于德州儀器《模擬設計期刊》。《模擬設計期刊》由德州儀器工程師和專家精心撰寫并匯編，覆蓋從基礎知識到先進技術、從數據轉換器到傳感器應用的廣泛主題，為模擬設計新手和資深用戶提供實用信息和解決方案。

（本文來源于《EEPW》20208）