簡(jiǎn)化1節(jié)Li+電池供電設(shè)備的設(shè)計(jì)

簡(jiǎn)化1節(jié)Li+電池供電設(shè)備的設(shè)計(jì)

摘要：MAX8671X電源管理IC (PMIC)能夠?yàn)楸銛y系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供鋰電池充電及電源穩(wěn)壓，該器件可利用USB端口或外部AC-DC電源適配器作為輸入電源為鋰離子(Li+)、鋰聚合物(Li-Poly)電池充電。PMIC還集成了許多電源管理功能，其中包括：用于USB和直流輸入的過(guò)壓保護(hù)電源開(kāi)關(guān)、5路獨(dú)立的片上穩(wěn)壓器用于系統(tǒng)供電。

目前，任何便攜電子系統(tǒng)都要求低成本、小尺寸、輕便。為板上子系統(tǒng)設(shè)計(jì)電池充電及供電電路時(shí)，采用MAX8671X電源管理IC (PMIC)可以方便地實(shí)現(xiàn)上述功能。器件可以從USB口或外部交流適配器獲取電源，為鋰離子(Li+)或鋰聚合物(Li-Poly)電池充電。除了充電功能外，PMIC內(nèi)部還集成了用于USB和直流輸入的過(guò)壓保護(hù)開(kāi)關(guān)，5路獨(dú)立的片上穩(wěn)壓器用于系統(tǒng)供電。這一組合大大減少了電路板的外部元件數(shù)量(圖1)，從而使該款器件成為智能電話(huà)、PDA、便攜式多媒體播放器、GPS導(dǎo)航設(shè)備、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)等便攜產(chǎn)品的理想選擇。


圖1. MAX8671X評(píng)估板照片，為典型應(yīng)用提供了一個(gè)緊湊的PCB布局

因?yàn)镸AX8671X無(wú)縫管理USB和交流適配器電源，使得制造商能夠省去AC-DC墻上適配器充電零配件，從而節(jié)省了零配件的相關(guān)尺寸和重量，成本也隨之降低。產(chǎn)品在出廠(chǎng)時(shí)可以只配備一條USB電纜，以便由計(jì)算機(jī)的USB口充電，電纜還可以用來(lái)同步或傳輸數(shù)據(jù)，交流適配器則可以是一個(gè)售后可選配件。

MAX8671X集成了眾多功能：電池充電器、適配器-USB-電池開(kāi)關(guān)、系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)以及各種檢測(cè)功能。這些功能如圖2所示，使得這款PMIC成為不同應(yīng)用的理想選擇。5路獨(dú)立的集成穩(wěn)壓器(3路2MHz開(kāi)關(guān)降壓型調(diào)節(jié)器，效率高達(dá)96%；2路低靜態(tài)電流的線(xiàn)性穩(wěn)壓器)可以為多個(gè)子系統(tǒng)提供高效供電。


圖2. MAX8671X PMIC內(nèi)部集成了5路獨(dú)立的穩(wěn)壓器以及電池充電功能、電源選擇開(kāi)關(guān)，輸入電源可由交流適配器或USB電纜提供

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MAX8671X PMIC集成了DC/USB輸入過(guò)壓保護(hù)、單節(jié)Li+電池充電器以及電池和外部電源之間負(fù)載切換所需的功率開(kāi)關(guān)。集成開(kāi)關(guān)和調(diào)節(jié)器可以省去外部MOSFET以及雜亂的電壓檢測(cè)器、電流檢測(cè)電阻、比較器、定時(shí)器以及其它常見(jiàn)的用于電源監(jiān)測(cè)和切換的分立元件。由此可以減少外部元器件數(shù)目和電路板空間，從而降低系統(tǒng)成本，得到一個(gè)更加緊湊的系統(tǒng)。

MAX8671X的智能電源選擇器(Smart Power Selector?)能夠在外部輸入、電池和系統(tǒng)負(fù)載之間無(wú)縫切換(見(jiàn)圖3)，選擇器操作如下：

1. 當(dāng)兩個(gè)外部電源(USB或交流適配器)與電池連接時(shí)，如果系統(tǒng)(SYS)負(fù)載電流小于輸入電流的限制，輸入電源在保證系統(tǒng)供電的前提下為電池充電。如果系統(tǒng)負(fù)載超過(guò)了輸入電流限制，電池可以補(bǔ)充SYS負(fù)載電流(ISYS)供電不足的部分，避免出現(xiàn)復(fù)位。
2. 如果系統(tǒng)只連接了電池，沒(méi)有連接外部電源，系統(tǒng)由電池供電。
3. 如果連接了外部電源，沒(méi)有連接電池，系統(tǒng)將由外部輸入電源供電。

圖3. 智能電源選擇器控制功率開(kāi)關(guān)MOSFET (Q3)，用作負(fù)載開(kāi)關(guān)和充電開(kāi)關(guān)

某些情況下，適配器或USB所能提供的電流可能不足以支持系統(tǒng)的峰值負(fù)載。為了解決這個(gè)問(wèn)題，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載峰值超出所選擇的輸入電流限制或在DC或USB輸入端沒(méi)有連接電源時(shí)，集成的低RDSON MOSFET在內(nèi)部將電池連接到SYS引腳，有電池為負(fù)載供電。如果系統(tǒng)負(fù)載連續(xù)超出輸入電流的限制，即使連接了外部電源也不會(huì)給電池充電。通常情況下，只在峰值負(fù)載瞬間才會(huì)發(fā)生重載情況，大部分設(shè)計(jì)中這種情況不會(huì)存在太久。出現(xiàn)峰值負(fù)載期間，電池將給系統(tǒng)供電；其它時(shí)間，電池充電。

除了給電池充電，MAX8671X通過(guò)SYS輸出和多個(gè)內(nèi)部穩(wěn)壓器給系統(tǒng)供電。IC的充電電流同樣取自SYS節(jié)點(diǎn)。當(dāng)然，輸入電流門(mén)限控制了總體SYS電流(比如，ISYS和電池充電電流之和)。

SYS可由DC或USB輸入引腳供電(如果沒(méi)有連接外部電源時(shí)則由電池供電)。如果DC和USB都連接了電源，優(yōu)先選擇DC輸入供電。設(shè)計(jì)人員可以選擇USB和交流適配器作為MAX8671X的輸入電源，也可以選擇兩者之一供電。邏輯輸入PEN1和PEN2用來(lái)選擇雙輸入、單輸入的正確限流。DC輸入電流門(mén)限可調(diào)至1A，DC和USB輸入都支持100mA、500mA和USB掛起模式。

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MAX8671X內(nèi)部的5路高效穩(wěn)壓器都具有低功耗特性，可有效延長(zhǎng)電池使用壽命。除了重載情況下保持高效外，穩(wěn)壓器在輕負(fù)載時(shí)也可以保持較高效率。從而進(jìn)一步提高電池壽命，因?yàn)樽酉到y(tǒng)工作時(shí)可能有幾百毫安的峰值負(fù)載，而大部分時(shí)間的負(fù)載電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于這一數(shù)值。在這樣一個(gè)系統(tǒng)中，針對(duì)平時(shí)較低的負(fù)載電流進(jìn)行優(yōu)化，而不是優(yōu)化在最高負(fù)載，有助于進(jìn)一步延長(zhǎng)電池使用壽命。

很多便攜式系統(tǒng)多數(shù)時(shí)間處于“睡眠”狀態(tài)。如果穩(wěn)壓器只是在滿(mǎn)負(fù)荷時(shí)具有高效(> 90%)，而在空閑模式下效率較低(< 60%)，這種穩(wěn)壓器可能會(huì)很快耗盡電池能量。MAX8671X穩(wěn)壓器有效解決了這一問(wèn)題，在重載(可為系統(tǒng)負(fù)載提供最大425mA)下效率可達(dá)96%，當(dāng)負(fù)載電流只有1mA時(shí)仍可保持高達(dá)85%的效率。

3路可調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器(REG1、REG2和REG3)均可提供最大425mA的電流，開(kāi)關(guān)頻率為2MHz，大大減小了外部電感和電容尺寸的要求。由外部電阻設(shè)定每路穩(wěn)壓器的輸出電壓。

其余2路穩(wěn)壓器(REG4和REG5)為低壓差(LDO)線(xiàn)性穩(wěn)壓器，可提供最大150mA電流。REG5為系統(tǒng)的USB收發(fā)器供電，只有在連接USB電源的情況下才工作。REG4在沒(méi)有DC或USB電源的情況下由電池供電。這兩個(gè)LDO有助于延長(zhǎng)電池壽命，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了靈活性。由于它們可以接受較寬的輸入電壓范圍(1.7V至5.5V)，可進(jìn)一步降低功耗。最小1.7V的輸入電壓使這些LDO可以從某個(gè)降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出(而不是直接由電池)供電。

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PMIC的雙輸入充電器部分可以接受USB電源或交流適配器供電。由于集成了智能電源選擇技術(shù)和用于管理充電過(guò)程的狀態(tài)控制邏輯，能夠完成所有電源控制和充電功能，圖4為充電曲線(xiàn)。為了支持各種不同的電池容量，充電電流最大可調(diào)節(jié)至1A。


圖4. 內(nèi)部狀態(tài)控制管理Li+電池的充電過(guò)程，并提供電池安全充電的電壓和電流

充電器使能后，電池在有效的DC和/或USB輸入下開(kāi)啟一次充電周期。首先檢查電池電壓，確定電池是否處于深度放電(電壓低于預(yù)設(shè)閾值3.0V)。如果電池處于深度放電，充電器將進(jìn)入安全預(yù)充模式，電池以快充電流的1/10充電。一旦電池電壓超過(guò)3.0V，充電器將進(jìn)入快充模式，以設(shè)定的電流為電池充電。

隨著充電的繼續(xù)，電池電壓上升到電池的滿(mǎn)充電壓(通過(guò)BVSET引腳選擇)，此時(shí)，充電電流開(kāi)始逐漸下降。當(dāng)充電電流下降至所設(shè)定的快充電流的4%時(shí)，充電器進(jìn)入短暫的浮充模式，然后終止充電。充電停止后，如果電池電壓隨后下降到電池滿(mǎn)充電壓以下120mV，將重新開(kāi)始充電，定時(shí)器復(fù)位。這可以保證電池在任何時(shí)間都維持或在接近滿(mǎn)充狀態(tài)，而且不會(huì)出現(xiàn)過(guò)充。

充電速度由下面幾個(gè)因素決定：電池電壓、USB/DC輸入電流限制、充電電流設(shè)置電阻(RCISET)、ISYS以及管芯溫度。MAX8671X為了防止輸入過(guò)載和過(guò)熱，可自動(dòng)將充電電流降至某個(gè)低于所設(shè)置的充電速率的數(shù)值。

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MAX8671X的USB引腳為限流電源輸入，為SYS端提供最大500mA的電流。連接USB和SYS的限流開(kāi)關(guān)也是一個(gè)工作在降壓模式的線(xiàn)性穩(wěn)壓器，即使在USB輸入發(fā)生故障達(dá)到14V的情況下，這個(gè)線(xiàn)性穩(wěn)壓器也能防止SYS電壓超出5.3V。

USB引腳在應(yīng)用中通常連接到USB口的VBUS線(xiàn)。它通過(guò)第二個(gè)電源使能(PEN2)和USB掛起(USUS)數(shù)字控制輸入支持USB規(guī)范的限流設(shè)置，可以設(shè)置在三種電流限的一種。對(duì)于低功率USB模式，限流為100mA；對(duì)于大功率USB模式，限流為500mA；對(duì)于USB掛起和未配置的On-the-Go (OTG)模式，限流為0.11mA (典型值)。

當(dāng)USB輸入電壓低于欠壓門(mén)限(VUSBL：4V，典型值)或低于電池電壓時(shí)，認(rèn)為輸入電源失效，將被關(guān)閉。同樣，如果USB輸入電壓高于過(guò)壓門(mén)限(VUSBH：6.9V，典型值)時(shí)，也被關(guān)閉。

為了滿(mǎn)足高速USB規(guī)范，每個(gè)連接設(shè)備都必須在內(nèi)部配置為低功率模式。USB枚舉過(guò)后，如果得到USB主機(jī)的容許，設(shè)備可以從低功率切換到高功率。MAX8671X不進(jìn)行枚舉，但它依靠系統(tǒng)與USB主機(jī)進(jìn)行通信。主機(jī)會(huì)決定正確的電流限制，并通過(guò)PEN1、PEN2和USUS輸入發(fā)送命令。

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MAX8671X包含熱管理功能，即使在散熱條件不理想的小型手持設(shè)備中也能夠避免過(guò)熱。當(dāng)管芯溫度超過(guò)+100°C時(shí)，它會(huì)按照5%/°C降低輸入電流。任何情況下，ISYS的供電優(yōu)先級(jí)高于充電電流，所以，降低輸入電流時(shí)首先降低的是充電電流。如果充電電流降低后，結(jié)溫仍然達(dá)到+120°C，則不再?gòu)妮斎腚娫次‰娏?，由電池為系統(tǒng)負(fù)載供電。片內(nèi)溫度限制電路與熱敏電阻輸入(THM)無(wú)關(guān)，工作過(guò)程也相互獨(dú)立，THM輸入一般使用外部熱敏電阻監(jiān)測(cè)電池溫度(典型應(yīng)用)。

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除了集成電池供電設(shè)備所需的關(guān)鍵電源管理功能—充電、電源切換以及系統(tǒng)穩(wěn)壓器等，MAX8671X還減少了這些設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的分立元件。內(nèi)部溫度調(diào)節(jié)電路、過(guò)壓保護(hù)、充電狀態(tài)及故障指示輸出、電源就緒監(jiān)測(cè)、電池?zé)崦綦娮璞O(jiān)測(cè)以及充電定時(shí)器等功能，大大降低了對(duì)外圍邏輯電路和開(kāi)關(guān)元件的需求，降低系統(tǒng)成本。更重要的是，它還節(jié)省了設(shè)計(jì)時(shí)間。因?yàn)?a target="_blank">Maxim的集成硬件方案意味著系統(tǒng)軟件不會(huì)影響充電或電源管理電路，因此也大大提升了系統(tǒng)和電池的安全性和可靠性。

MAX8671X采用增強(qiáng)散熱、節(jié)省空間的5mm x 5mm、40引腳TQFN封裝，能夠滿(mǎn)足目前大多數(shù)空間受限便攜產(chǎn)品的要求。另外，該款PMIC可以工作在擴(kuò)展級(jí)溫度范圍(-40°C至+85°C)，可理想用于絕大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用。