便攜系統(tǒng)中電池充電與系統(tǒng)供電并存的考慮

便攜系統(tǒng)中電池充電與系統(tǒng)供電并存的考慮 德州儀器公司 黃姝

在大多數(shù)使用可充電電池組的便攜式系統(tǒng)中，直流輸入不僅給系統(tǒng)供電，還要給電池充電。因此，系統(tǒng)設計者必須考慮如何在用直流輸入給系統(tǒng)供電的同時，快速、安全、可靠地給電池充電。

對方便、靈活以及提高生產(chǎn)力的需求使便攜式系統(tǒng)在工作和生活中日益普及。對于使用可充電電池組的便攜式系統(tǒng)而言，電源設計上顯著的挑戰(zhàn)就是電池充電電路。尤其是當充電功能被集成在系統(tǒng)主板上而不是單獨存在于系統(tǒng)以外的充電器上時，在電源設計上就更需要有一些特殊的考慮。

許多整合系統(tǒng)和電池充電電路的挑戰(zhàn)來源于便攜式系統(tǒng)本身的內(nèi)在特性。其中之一是便攜式系統(tǒng)可能有多個主要的電源輸入，不同于非便攜式系統(tǒng)通常只有一個固定的外接適配器。這些典型的電源包括電池、交流適配器以及其他直流輸入，例如USB接口。 多個輸入電源對于設計有一系列的要求，例如在電源之間需要有可靠的切換而不至于使系統(tǒng)負載掉電或者電源之間短路。另外一個考慮是，通常情況下直流輸入電壓和電池電壓額定值不同。因此必須按照最低的電池電壓（最小值）以及適配器的輸出電壓（一般為最大值）的范圍來設計電能轉(zhuǎn)換電路。在大多數(shù)使用可充電電池組的便攜式系統(tǒng)中，直流輸入不僅給系統(tǒng)供電，還要給電池充電。因此，系統(tǒng)設計者必須考慮如何在用直流輸入給系統(tǒng)供電的同時，快速、安全、可靠地給電池充電。

如何給鋰離子電池組充電

在增加功能、減小體積的同時，便攜系統(tǒng)的設計要爭取盡量長的電池工作時間。鋰離子電池在重量和體積上的相對能量密度性能突出，被廣泛應用于便攜設備中。為了便于理解給系統(tǒng)供電的同時給電池充電的難題，首先要理解如何正確地給鋰離子電池充電。

圖1所示是通常推薦用于鋰離子電池充電的曲線。大多數(shù)鋰離子充電集成電路都是按照這種方式來給電池組充電的。一般說來，鋰離子電池充電包括3個階段：預充階段、快充恒流 (CC) 階段、恒壓（CV）終止階段。在預充階段，電池以低電流（1/10的快充電流）充電，直到電壓升到一個適合快充的值（每節(jié)3V）。在快充恒流階段，電池以快充電流值充電，直到電池電壓升到恒壓調(diào)控閾值（每節(jié)4.2V）, 然后電流會逐漸下降到設定好的終止閾值（終止檢測）。充電在這一點終止或到達設定時間（TTAPER，通常小于20分鐘）后再終止。為了安全保護以及故障檢測，計時器 （例如TPRECHG和TCHG） 跟蹤全部的充電時間以及/或者3個階段的充電時間。如果計時器超時，充電控制電路終止充電，并向主系統(tǒng)控制器或者用戶發(fā)出故障條件指示。表1為充電階段的總結(jié)。

兼顧電池充電和系統(tǒng)供電出現(xiàn)的問題

圖2所示為在充電的同時給系統(tǒng)供電的基本電路結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，充電電路的輸出被分為系統(tǒng)負載以及電池充電兩部分，也就是說，ICHG=ISYS+IBAT。大多數(shù)基本的充電控制電路無法檢測它的輸出電流在電池充電和系統(tǒng)負載兩者之間是如何分配的，從而也就不能在充電過程中作出正確的決定。這在鋰離子電池的三個充電階段中會出現(xiàn)不同的問題。

在預充階段，充電電流相對較低（1/10的快充電流）。如果系統(tǒng)啟動，會抽走大部分甚至全部的電流，從而使電池電壓無法達到快充閾值（每節(jié)3V）。一旦預充定時器到時，充電控制電路就將進入充電錯誤模式。然而在電壓低于3V時，鋰離子電池本來就接近耗盡，所以通常當電池電壓低于3V時系統(tǒng)會自動關機，那么預充定時器到時的問題也就可以避免了。

定時器到時問題同樣也可能存在于在CC和CV階段。在CC模式下，系統(tǒng)可以“盜用”足夠電流而引起總充電定時器（如圖1所示的TCHG）到時。在CV模式下，系統(tǒng)負載使充電電路輸出電流(ICHG)可能總是超過終止電流，從而使充電電路無法檢測到充電終止值而最終進入錯誤狀態(tài)。這種情況如圖3所示。

解決方案

一種基本解決辦法是在充電控制電路周圍加入另一個電流支路，如圖4所示。這一支路會在充電時導通，提供負載電流。

Icharger+Isupplement=Isystem+Ibat，其中Isupplement=Isystem，那么流經(jīng)充電IC的電流就等于電池充電電流，充電控制電路就可以正常工作了。基本的充電控制IC一般都有充電狀態(tài)顯示，這些狀態(tài)顯示輸出可以用來控制輔助電流支路的導通。當狀態(tài)顯示為充電完畢時，輔助電流支路將關閉，以避免電池過充。

另一種解決辦法是徹底將系統(tǒng)負載電流與電池充電電流隔離。這就保證了充電控制電路總是能得到輸入電池的實際電流值。一些充電管理IC集成了路徑選擇電路來實現(xiàn)這一功能。在圖5中，BQ24030有一個適配器直流輸入端和兩個輸出端，一個給系統(tǒng)供電，另一個給電池充電。當適配器接入時，由適配器給系統(tǒng)供電和給電池充電。如果系統(tǒng)負載上升超過一定限度，控制電路會自動降低分配給電池的電流繼續(xù)充電。當適配器取下后，就由電池給系統(tǒng)供電。BQ24030還包括一個USB輸入端，也可以同時給系統(tǒng)供電和給電池充電。

小結(jié)

隨著便攜系統(tǒng)朝著輕、薄、短小和要求電池工作時間更長的方向發(fā)展，對電源設計提出了新的挑戰(zhàn)。電池和集成電路技術的發(fā)展將迎接這些挑戰(zhàn)，為移動世界帶來各種更輕巧、更強大的便攜式系統(tǒng)。

  來源:零八我的愛