如何为我们的应用选择合适的线性充电器

1.前言

随着电子设备变得更加智能并具有更多内置功能，它们变得更有吸引力但也更耗电，这使得充电电池成为明显的经济选择。近年来，随着创新应用、新兴技术和新电池化学物质的出现，对充电器的要求不断发展。例如，智能银行卡、智能服装和医疗贴片等可穿戴设备领域的新应用正在推动更小、更便宜的解决方案，以及更小、更高功率密度的电池。

设计师的典型问题或顾虑包括：“我怎样才能最大限度地延长电池运行时间？” “如何延长产品的保质期？” “电池是否有可能过度放电？” “如果电池丢失或有缺陷会怎样？” “如何让我的产品与弱适配器一起工作？” 和“我可以为不同的设计和不同的电池使用相同的充电器吗？” 

2.电源路径

电源路径功能在充电器内部增加了一个开关，从而启用单独的输出来为系统供电并为电池充电。这种架构带来了很多其他特性，但让我们先看看图 1，它显示了一个没有电源路径的简单线性充电器。系统输入端和电池端连接到同一个充电器输出节点。这种非电源路径架构因其简单性和小解决方案尺寸而广受欢迎；示例包括bq24040 和bq25100电池充电器。图 2 显示了 bq25100 的评估模块 (EVM)。

图 1：简单的非电源路径线性充电器图

图 2：bq25100 EVM

然而，这种架构有一些限制。充电器输出、电池端子和系统输入都连接在同一点。在深度放电甚至有缺陷的电池的情况下，即使连接外部电源也可能无法为系统供电。电池需要充电到一定的电压水平，系统才能启动。因此，如果产品的电池深度放电，最终用户可能会在插入适配器时认为整个系统已经死机，但由于系统无法启动而没有任何反应。如果产品实际上有一个有缺陷的电池，系统可能永远不会通电。对于带有可拆卸电池的产品，可以使用不同的电池组取出并更换有缺陷的电池。但如果电池嵌入设备中，

这种架构的另一个问题是充电器只检测进入电池和系统的总电流。如果系统正在运行，充电器如何确定电池电流是否已达到终止水平？

解决所有这些问题的方法非常简单——我们只需在系统输入和电池端子之间添加另一个开关即可。图 3 显示了电源路径线性充电器架构。除了 Q1 场效应晶体管 (FET) 将电流从外部源引入外，必要时再添加一个开关 (Q2) 可将电池与系统分离。系统始终具有输入电源的优先权，并在最终用户插入适配器时立即开启。如果适配器有额外的电力来支持系统负载，则电池可以充电。

图 3：电源路径线性充电器图

这种方法还允许充电器独立监控进入电池的充电电流（与从适配器汲取的总电流相反），以允许正确终止并检查任何故障情况。

该bq24072器件系列包括单机功率路径线性充电器。bq25120A 是一款集成度更高的新型器件。除了电源路径线性充电器外，它还集成了一个 DC-DC 降压转换器、一个 LDO、按钮控制器和 I2C 接口，以实现客户可编程性。

运输方式

运输模式通常是设备的最低静态电流状态。制造商在产品出厂前立即启用此状态，以最大限度地延长保质期，因此希望最终用户收到产品时电池不会耗尽。运输模式电路通过关闭电源路径充电器中的 Q2 基本上断开电池，以防止电池泄漏到系统中。当最终用户第一次打开产品时，Q2 重新打开并且电池连接到系统。

动态电源路径管理 (DPPM)

DPPM 是电源路径设备的另一个功能。它监控设备的输入电压和电流，并在适配器无法支持系统负载时自动优先考虑系统。输入源电流在系统负载和电池充电之间共享。如果系统负载增加，此功能会降低充电电流。当系统电压下降到某个阈值时，电池可以停止充电，而是对电池进行放电以补充系统电流需求。实施此功能可防止系统崩溃。

输入电压动态电源管理 (VIN-DPM)

通常与 DPPM 混淆的另一个功能是 VIN-DPM。这种机制听起来可能非常相似，但重点却大不相同。输入电源或适配器具有额定功率。在某些情况下，输入电源没有足够的功率来满足设备的需求。设计人员现在通过不同的 USB 标准更常见地看到这一点。正在充电的设备可能需要使用各种（甚至未知的）适配器类型。如果输入源过载并导致输入电压低于欠压锁定 (UVLO) 阈值，器件将关闭并停止充电。电源负载消失，适配器恢复。其电压回升至 UVLO 以上并重新开始充电，但适配器立即再次过载并崩溃。这种不良情况称为“打嗝模式”。

图 4：打嗝模式

VIN-DPM 功能解决了这个问题，因为它持续监控充电器的输入电压。如果输入电压低于某个阈值，VIN-DPM 将调节充电器以减少输入电流负载，从而防止适配器崩溃。

现在我们可以看到 VIN-DPM 和 DPPM 实际上是两个截然不同的功能。VIN-DPM 监控适配器的输出（或充电器的输入）并将其保持在一定水平。DPPM 监控充电器输出（或系统轨）并将其保持在最低预定水平。这两个功能可以很好地协同工作，以允许在不同的操作条件下平稳运行。并非所有充电器都具有这两种功能。我们也可以在非电源路径充电器上实施 VIN-DPM。