Basic characteristics related to power path function
Time:2022-01-19
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作者：德州儀器 Pearl Cao
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(shí)也更加耗電，可充電電池因此成為了一個(gè)經(jīng)濟(jì)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(shí)也推動(dòng)著電池朝更小更高功率密度的方向發(fā)展。
設(shè)計(jì)師的典型問題或疑慮包括：“我如何最大限度地延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間？”“我如何延長(zhǎng)產(chǎn)品的保質(zhì)期？”“是否有可能對(duì)電池進(jìn)行過度放電？”“如果電池缺失或損壞會(huì)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(jì)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(gè)開關(guān)，使單獨(dú)的輸出為系統(tǒng)供電并為電池充電。這種架構(gòu)會(huì)導(dǎo)致其他一些特性。讓我們先看看圖1，該圖顯示了一個(gè)沒有電源路徑的簡(jiǎn)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(diǎn)。這種非電源路徑架構(gòu)因其簡(jiǎn)單和小巧的解決方案而受到歡迎；實(shí)例包括bq24040和bq25100電池充電器。圖2顯示了bq25100的評(píng)估模塊（EVM）。
圖1：簡(jiǎn)單的非電源路徑線性充電器圖
圖2：bq25100EVM
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(diǎn)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(dòng)系統(tǒng)。在系統(tǒng)啟動(dòng)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(huì)在插入適配器時(shí)認(rèn)為系統(tǒng)已經(jīng)損壞，并且由于系統(tǒng)無法啟動(dòng)而沒有任何情況發(fā)生。如果產(chǎn)品的電池確實(shí)存在缺陷，則系統(tǒng)可能永遠(yuǎn)無法啟動(dòng)。對(duì)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(huì)使整個(gè)產(chǎn)品無法使用。
這種架構(gòu)的另一個(gè)問題是充電器只能檢測(cè)到流入電池和系統(tǒng)的總電流。如果系統(tǒng)正在運(yùn)行，則充電器如何確定電池電流是否達(dá)到終止電平？
所有問題的解決方案非常簡(jiǎn)單——只需在系統(tǒng)輸入和電池電極之間添加另一個(gè)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(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）之外，必要時(shí)需再增加一個(gè)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(jí)，當(dāng)終端用戶插入適配器時(shí)，系統(tǒng)可以立即打開。如果適配器在支持系統(tǒng)負(fù)載時(shí)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(dú)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(dú)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(yùn)輸模式
運(yùn)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(zhǎng)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(shí)電池電量不會(huì)耗盡。通過關(guān)閉電源路徑充電器中的Q2，運(yùn)輸模式電路實(shí)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(shí)，Q2重新打開，電池連接到系統(tǒng)。
動(dòng)態(tài)電源路徑管理（DPPM）
DPPM是電源路徑設(shè)備的另一個(gè)功能。它可以監(jiān)測(cè)設(shè)備的輸入電壓和電流，并在適配器不能支持系統(tǒng)負(fù)載時(shí)自動(dòng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序。輸入源電流會(huì)在系統(tǒng)負(fù)載和電池充電之間共享。如果系統(tǒng)負(fù)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(gè)閾值時(shí)，電池可以停止充電，并將電池放電以補(bǔ)充系統(tǒng)電流要求。此特性的實(shí)施可有效防止系統(tǒng)崩潰。
輸入電壓動(dòng)態(tài)電源管理（VIN-DPM）
通常與DPPM混淆的另一個(gè)功能是VIN-DPM。這一機(jī)制聽起來非常相似，但重點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)不同的情況下，如今設(shè)計(jì)人員更普遍地認(rèn)識(shí)到了這一點(diǎn)。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(huì)關(guān)閉并停止充電。電源負(fù)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(huì)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?yàn)樗梢赃B續(xù)監(jiān)測(cè)充電器的輸入電壓。如果輸入電壓低于某個(gè)閾值，VIN-DPM會(huì)調(diào)節(jié)充電器以減少輸入電流負(fù)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(shí)際上是兩個(gè)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(gè)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(yùn)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(shí)施VIN-DPM。
本文以線性充電器拓?fù)浣Y(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。有關(guān)電池充電器選擇的更多信息，請(qǐng)參閱電池充電器解決方案頁(yè)面。
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