采用电源路径电池充电器优化应用

在上期中，我们对双电源分立式和集成式仪表放大器进行了对比，并详细分析了三种双电源 IA 电路。

本期，为大家带来的是《采用电源路径电池充电器优化应用》，目的是解读如何选择电源路径或非电源路径电池充电器，以及这一决策对充电 IC 功能的关键影响。

引言

电池选项众多且系统要求各异，要想设计最佳电池充电集成电路 (IC) 以最大限度延长电池寿命并实现最佳系统性能，可能充满挑战。是选择电源路径电池充电器还是非电源路径电池充电器，这一决策会对充电 IC 的功能产生重大影响。

图 1 展示了非电源路径器件具有一条充电路径，其中系统和电池连接到同一个节点。由于您无法控制用于为系统供电的电流与为电池充电的电流，因此当您无需同时使用系统和为电池充电时，非电源路径充电便是有效的选择。剃须刀或电动自行车等应用非常适合非电源路径充电器。

图 1. 非电源路径和电源路径方框图

由于电池中集成的 Q2 金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 使您能够定制用于为系统供电的电流与为电池充电的电流，因此当同时需要充电和使用系统时，电源路径充电是更好的产品选择。当电池深度放电时，这种定制也很有用。由于深度放电的电池通常以较小的电流充电，因此电源路径器件可以通过适配器独立调节系统电流和电池电流，从而为电池提供较小的电流，确保系统仍然获得启动所需的功率。

当电池充电时对系统电流的需求较高时，Q2 MOSFET 也可以导通，将输入和电池的功率结合起来，以支持系统负载。该功能称为补充模式，在该模式下，器件将从电池拉取电流，对输入电流进行补充，防止系统拉取的电流大于输入所能提供的电流。受益于电源路径充电器功能的典型应用是智能手机。

以下各节介绍了电源路径拓扑如何提高系统性能和延长电池寿命。

最大限度地延长货架期

产品在消费者购买之前可能会在运输途中和货架上放置数月，而消费者通常更喜欢开箱即用。由于一些国家/地区采用了新的运输限制，限制电池在运输前只能保存一定的电量，因此节省每一点电池容量至关重要。

在非电源路径拓扑中，系统必须进入低功耗模式，因为系统直接连接到电池。低功耗模式通常要求使用负载开关或其他方式将电池与系统相隔离。

在电源路径拓扑中，电池 FET 可以在运输模式下断开电池与系统的连接，这是产品消耗最低电池电流的状态。运输模式还可以通过关闭电池 FET 来防止电池为系统供电。通过设计具有电源路径和运输模式的充电 IC，可以在消费者插入适配器或按下电源按钮时立即实现开箱即用。

执行看门狗复位

在某些情况下，当系统处理器或主机无响应时，可能需要强制执行硬件复位或下电上电；您可以通过看门狗复位来完成此操作。例如，在 TI 的 BQ25180 充电器器件上，当满足以下条件时，可以进行硬件复位：

• 插入适配器后 15 秒或更长时间内无 I2C 通信。

• 用户已长时间按下复位按钮。

• 距离上次 I2C 通信的时间超过 40s。

在硬件复位序列期间，充电器 IC 断开系统与电池和适配器（如果有）的连接，等待可配置的持续时间，然后重新开启系统，从而实现系统启动和初始化。由于电池物理连接到系统，因此非电源路径充电器器件中可能需要使用外部负载开关来执行硬件复位。

利用全部电池容量

在设计充电器 IC 时，获得最大的电池容量是首要目标，因为这会为用户带来更多的充电间隔时间。不准确的终止电流 (ITERM) 监测可能会导致充电终止值高于所需的 ITERM 值，从而无法使用全部电池容量，如图 2 所示。

电源路径可通过精度更高的 ITERM 实现最大的电池容量。在锂离子充电曲线中，充电电流在恒压阶段逐渐减小，直至达到 ITERM ，然后关闭。为了最大程度地提高电池容量，必须具有低 ITERM 以及精确测量低 ITERM 值以精确终止充电的能力。电源路径通过测量流经 Q2 电池 FET 的电流，可在低值时实现精确的电流监测。

图 2. 较低的 ITERM 带来的额外容量

图 2 还重点说明了不准确的 ITERM 监测如何导致在 4mA（而非 1mA）终止，这意味着用户将损失 5% 的可用 41mAhr 电池容量。由于电源路径充电器单独调节充电电流和系统电流，因此系统电流的任何变化都不会影响充电电流。因此，充电终止可以在一个稳定的预定值上发生，从而最大程度地提高电池的荷电状态。

使用电源路径来实现精确的低 ITERM 类似于使用水龙头注满一杯水。在该类比中，杯子是电池，杯子中的水是电池中的电量，从水龙头中流出来的水是充电电流。目标是在不使水溢出的情况下尽可能注满杯子。随着水接近顶部，缓慢减小水龙头的水流量，从而可以轻松控制水位，这样就可以更轻松地实现该目标。如果始终使水龙头具有最快的水流量，则可能会导致水溢出，或者您需要在注满杯子之前将杯子从水龙头移开。回到电池充电器术语，通过将充电电流（从水龙头流出的水）减小至受控且可测量的 ITERM ，充电器就能够用尽可能多的电量（杯子中的水）填充电池（杯子），而不会使电池过度充电或充电不足。

最大限度地减小电池疲劳

可充电电池经历多次充电和放电循环后，其为系统供电的能力会下降，这可能会对其性能和运行时间产生负面影响。为了最大限度地延长电池和系统的寿命，设计 IC 来限制电池的总体循环次数非常重要。

图 3 显示锂离子电池的电池容量随着充电循环次数的增加而降低。通过设计电源路径电池充电 IC，您可以通过关闭电池 FET 来最大限度地延长电池寿命 – 直接通过适配器为系统供电，防止系统使用电池供电，从而无需对电池进行放电和充电。通过电源路径，您可以选择仅使用适配器为系统供电（如果有适配器），这会减少电池的充电循环次数并最大限度地延长其寿命。

图 3. 锂离子电池容量与充电循环数量之间的关系

备注

“影响基于 LiCoO2 的锂离子电池的循环寿命和可能的降级机制的因素”，电源杂志 111 (2002) 130-136。

TI 电源路径电池充电器

BQ25180 等线性充电器在充电电流小于 1A 的应用中很有用。BQ25180 配备运输模式，可提供低功耗模式以节省电池电量。在运输模式下，电池静态电流仅为 15nA，明显低于 BQ25180 正常工作时的 3μA 电池静态电流。可以对 BQ25180 进行编程，使其具有 0.5mA 的极低 ITERM ，这有助于将电池充满电。调节 ITERM 很简单，因为它是固定的编程快速充电电流的 10%，并且可以通过 I2C 通信轻松更改。该充电器还通过补充模式优先提供系统电源。

BQ25620 是一款配备电源路径的开关降压充电器。开关充电器在需要充电电流大于 1A 的应用中非常有用，因为开关充电器更适合高功率应用。BQ25620 可支持高达 3.5A 的充电电流。它还具有用于节省电池电量的运输模式，电池静态电流为 150nA，而补充模式可优化系统性能。为了最大限度地提高电池容量，BQ25620 的 ITERM 低至 10mA，并且可通过 I2C 通信轻松定制。

结论

在选择电源路径电池充电器 IC 或非电源路径电池充电器 IC 时，需要进行权衡。具有电源路径的电池充电器 IC 通过集成电池 FET 提供附加功能：附加电源模式（例如用于节省电池电量的运输模式）、用于恢复无响应主机的完整系统重置功能，以及用于最大限度提高电池容量以获得更长运行时间和最大限度缓解电池疲劳的功能。这些类型的充电器 IC 将有助于提高需要同时进行充电和使用系统的应用中的电池和系统性能。