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功率电感:动态电源管理 实现高效快速充电模式(下)

2015/6/19

  电池补充供电模式

  基于输入电流或者输入电压的DPM可在电源不崩溃的情况下从适配器获得大功率。对于一些便携式设备而言,例如:智能电话和平板电脑等,系统负载通常是动态的,并且有高脉冲电流。即使是充电电流已降至零,如果出现脉冲电流的系统的峰值功率高于输入功率怎么办?如果不主动控制,则输入功率电源可能会崩溃。

  一种解决方案是,增加适配器的额定功率,但这会增加适配器的体积和成本。另一种解决方案是,开启MOSFET Q4对电池放电而非充电,从而暂时性地为系统提供更多的功率。组合运用DPM控制和电池补充供电模式,可优化适配器,以提供平均功率而非大峰值系统功率,从而降低成本,并实现小的解决方案尺寸。

  提高系统性能设计考虑

  如平板电脑和智能电话等便携式设备,均要求实现瞬时开机功能,从而提供良好的用户体验。这就意味着,不管电池是完全充电还是深度放电,插入适配器时系统都要瞬时开启。

  例如,我们假设,系统使用一块单节锂离子电池,如图1和2所示。如果在没有MOSFET Q4的情况下,电池直接连接至系统,则系统总线电压(VBUS)与电池电压一样。电压小于3V的一块深度放电电池,可能会阻止系统开启。用户可能不得不等待电池充电至3.4V以后才能开启系统。为了支持瞬时开启功能,我们添加了MOSFET Q4,以便工作在线性模式下,实现对深度放电电池充电的同时维持小系统工作电压。小系统电压通过开关式转换器调节,而Q4的充电电流则通过一个线性控制环路来调节。一旦电池电压达到小系统电压,MOSFET Q4便完全开启。它的充电电流通过同步降压转换器的占空比来调节。所以,系统电压始终维持在小系统工作电压和大电池电压之间,以为系统供电。

  在一个5V的USB充电系统中,电源和电池之间的所有串行电阻都会影响充电效率。充电通路的电阻由FET Q1、Q2及Q4的“导通”电阻以及USB线缆约250 mΩ的电阻共同组成。如果线缆电压下降,充电器输入电压很少能达到4.5V。因此,设计一种FET“导通”电阻低的充电器,可以小化充电时间,这一点至关重要。图3比较了使用 TI bq24190 USB/适配器充电器设计和80 mΩ充电通路额外电阻替代设计的充电时间。我们可以看到,相比另一种设计,由于输入电压达到4.5V,bq24190设计的充电时间缩短了20%。

   延迟电池使用时间

  当然,电池容量越高,电池使用时间也就越长。对于一个单电池供电的系统而言,通常要求3.3V的输出电压,其典型小系统电压为3.4V左右。如果MOSFET Q4的“导通”电阻为50 mΩ,并且电池放电电流为3A,则电池截止电压为3.55V。这就意味着,超过15%的电池容量并未得到利用。为了大化电池使用时间,MOSFET Q4的“导通”电阻必须尽可能地小。例如,“导通”电阻为10 mΩ,并且峰值电池放电电流同样为3A,则电池截止电压为3.43V。相比50 mΩ的“导通”电阻,它所提供的电池电量多10%。

  图4显示了一个使用集成MOSFET的高效、单电池I2C充电器举例。这种充电器同时支持USB和AC适配器输入,适用于平板电脑和便携式媒体设备。集成了所有4个功率MOSFET,同时MOSFET Q1和Q4用于检测输入电流和电池充电电流,从而进一步小化系统的解决方案尺寸。这种充电器还可区分USB端口和适配器,以快速设置正确的输入电流限制。另外,充电器可以单独工作(即使在系统关闭的情况下),拥有内部默认充电电流、充电电压、安全计时器和输入电流限制。这种充电器还具有USB On-the-Go(OTG)功能,其工作在增压模式下,通过电池在USB输入端提供5V、1.3A输出。

  散热性能

  对于那些具有超薄外形的便携式设备而言,散热性能至关重要,因为用户可以很容易地感觉到来自印刷电路板的发热情况。这种热是由一些高功耗组件所产生,例如:电池充电器等。要想解决这个问题,使用高效的充电器和良好的电路板布局非常重要。为了进一步提高散热性能,bq2419x系列产品内部使用了一个热调节环路。它通过在器件达到预设结点温度时降低充电电流,来控制大结点温度。图5显示了bq24190设计的测得电池充电效率。使用5V USB输入时,它的效率可高达94%。9V输入和4A充电电流时,温升仅32°C。

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梁先生03:02:19
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