線性充電器的基本功能和電路分析

隨著內(nèi)置功能越來越多，越來越智能的電子設(shè)備在更具吸引力的同時也更加耗電，可充電電池因此成為了一個經(jīng)濟的選擇。近年來，隨著創(chuàng)新應(yīng)用、新興技術(shù)和新電池化學(xué)成分的出現(xiàn)，充電器的需求不斷發(fā)展。例如，可穿戴設(shè)備領(lǐng)域的新應(yīng)用（如智能銀行卡、智能服裝和醫(yī)療貼片）引領(lǐng)著解決方案變得更小巧便宜，同時也推動著電池朝更小更高功率密度的方向發(fā)展。

設(shè)計師的典型問題或疑慮包括：“我如何最大限度地延長電池的使用時間？”“我如何延長產(chǎn)品的保質(zhì)期？”“是否有可能對電池進行過度放電？”“如果電池缺失或損壞會發(fā)生什么？”“如何讓我的產(chǎn)品與較弱的適配器一起工作？”，以及“我可以將相同的充電器用于不同的設(shè)計和不同的電池嗎？”在本文中，我將討論線性充電器的不同功能如何幫助解決這些問題。

電源路徑

電源路徑功能可通過在充電器內(nèi)部增加一個開關(guān)，使單獨的輸出為系統(tǒng)供電并為電池充電。這種架構(gòu)會導(dǎo)致其他一些特性。讓我們先看看圖1，該圖顯示了一個沒有電源路徑的簡單線性充電器。系統(tǒng)輸入和電池電極連接到相同的充電器輸出節(jié)點。這種非電源路徑架構(gòu)因其簡單和小巧的解決方案而受到歡迎；實例包括bq24040和bq25100電池充電器。圖2顯示了bq25100的評估模塊（EVM）。

圖1：簡單的非電源路徑線性充電器圖

圖2：bq25100 EVM

然而，這種架構(gòu)有一些局限。充電器輸出、電池電極和系統(tǒng)輸入都在同一點連接。如果電池深度放電或有缺陷，那么即使連接外部電源，也可能無法啟動系統(tǒng)。在系統(tǒng)啟動之前，電池需要充電到一定的電壓水平。因此，如果產(chǎn)品的電池深度放電，終端用戶可能會在插入適配器時認為系統(tǒng)已經(jīng)損壞，并且由于系統(tǒng)無法啟動而沒有任何情況發(fā)生。如果產(chǎn)品的電池確實存在缺陷，則系統(tǒng)可能永遠無法啟動。對于使用可拆卸電池的產(chǎn)品，可能需要使用不同的封裝來拆卸和更換缺陷電池。但是，如果電池嵌入在設(shè)備內(nèi)，則缺陷電池會使整個產(chǎn)品無法使用。

這種架構(gòu)的另一個問題是充電器只能檢測到流入電池和系統(tǒng)的總電流。如果系統(tǒng)正在運行，則充電器如何確定電池電流是否達到終止電平？

所有問題的解決方案非常簡單——只需在系統(tǒng)輸入和電池電極之間添加另一個開關(guān)。圖3顯示了電源路徑線性充電器架構(gòu)。除了從外部電源引入電流的Q1場效應(yīng)晶體管（FET）之外，必要時需再增加一個開關(guān)（Q2）使電池與系統(tǒng)分離。系統(tǒng)始終具有輸入電源的優(yōu)先級，當(dāng)終端用戶插入適配器時，系統(tǒng)可以立即打開。如果適配器在支持系統(tǒng)負載時還剩下額外的電源，電池可以充電。

圖3：電源路徑線性充電器圖

這種方法還允許充電器獨立地監(jiān)控電池的充電電流（與適配器的總電流相反），以允許適當(dāng)?shù)慕K止和檢查任何故障情況。

bq24072器件系列包括獨立式電源路徑線性充電器。bq25120A是一款集成度更高的新型器件。除了電源路徑線性充電器之外，它還集成了DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器、LDO、按鈕控制器和具備客戶可編程性的I2C接口。

運輸模式

運輸模式通常是設(shè)備的最低靜態(tài)電流狀態(tài)。為了最大限度地延長貯藏壽命，制造商在產(chǎn)品出廠前就已經(jīng)啟用了這種狀態(tài)，以期待終端用戶獲得產(chǎn)品時電池電量不會耗盡。通過關(guān)閉電源路徑充電器中的Q2，運輸模式電路實質(zhì)上斷開了電池的連接，以防止電池泄漏到系統(tǒng)中。當(dāng)終端用戶第一次打開產(chǎn)品時，Q2重新打開，電池連接到系統(tǒng)。

動態(tài)電源路徑管理（DPPM）

DPPM是電源路徑設(shè)備的另一個功能。它可以監(jiān)測設(shè)備的輸入電壓和電流，并在適配器不能支持系統(tǒng)負載時自動對系統(tǒng)進行優(yōu)先級排序。輸入源電流會在系統(tǒng)負載和電池充電之間共享。如果系統(tǒng)負載增加，此功能可降低充電電流。當(dāng)系統(tǒng)電壓下降到某個閾值時，電池可以停止充電，并將電池放電以補充系統(tǒng)電流要求。此特性的實施可有效防止系統(tǒng)崩潰。

輸入電壓動態(tài)電源管理（VIN-DPM）

通常與DPPM混淆的另一個功能是VIN-DPM。這一機制聽起來非常相似，但重點卻完全不同。輸入電源或適配器具有額定功率。在某些情況下，輸入電源的功率并不足以滿足設(shè)備的需求。在USB標準不同的情況下，如今設(shè)計人員更普遍地認識到了這一點。正在充電的設(shè)備可能需要適用于各種類型（甚至未知的）適配器。如果輸入源過載并導(dǎo)致輸入電壓低于欠壓鎖定（UVLO）閾值，則器件會關(guān)閉并停止充電。電源負載消失，適配器恢復(fù)。其電壓回升到高于UVLO并重新開始充電，但適配器會再次立即過載并崩潰。這種不良情況被稱為“打嗝模式”。參見圖4。

圖4：打嗝模式

VIN-DPM功能可成功解決這一問題，因為它可以連續(xù)監(jiān)測充電器的輸入電壓。如果輸入電壓低于某個閾值，VIN-DPM會調(diào)節(jié)充電器以減少輸入電流負載，從而防止適配器崩潰。

現(xiàn)在您可以發(fā)現(xiàn)VIN-DPM和DPPM實際上是兩個完全不同的功能。VIN-DPM可監(jiān)控適配器的輸出（或充電器的輸入）并將其保持在一定的水平。DPPM可監(jiān)控充電器輸出（或系統(tǒng)導(dǎo)軌）并將其保持在最低預(yù)定水平。這兩個功能可以協(xié)調(diào)共存，發(fā)揮作用，以便在不同的操作條件下平穩(wěn)運行。并非所有充電器都具有這兩種功能。您也可以在非電源路徑充電器上實施VIN-DPM。

我以線性充電器拓撲結(jié)構(gòu)為例闡釋了一些與電源路徑功能相關(guān)的基本特性，但開關(guān)充電器當(dāng)然也可以具有此功能。