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作者：Jing Ye，高功率充電系統工程師 Jeff Falin，無(wú)線(xiàn)低功耗充電應用工程師 KK Rushil，現場(chǎng)應用工程師 前言 充電電池供電設備的設計人員希望充電器能夠在不造成電源崩潰的情況下從電源獲得最多的電量，以便最大限度地增大充電電流，在最短時(shí)間內完成充電。電源和電池之間的電阻是個(gè)挑戰性難題。本文將闡述如何設計一款充電電路，其可在不受電源與電池之間不良電阻影響的情況下，從適配器獲得最大的電源。 開(kāi)關(guān)模式充電器的一般工作方式 圖 1 是基于降壓轉換器的充電器的電路模型，其中顯示了所有不理想的電阻，如電感器的直流電阻 (RIND)。 
充電器 IC 的輸入電源電壓來(lái)自典型的 USB 端口或壁插式適配器，然后施加在 VBUS 或 IN 引腳上。就本文而言，在該引腳上施加的電壓為 VBUS。該模型用于為給定的電池調節閥值確定最低電源電壓。 鋰離子充電器的工作方式介紹 如圖 2 所示，充電器根據電池電壓在三個(gè)主要運行階段工作：
低電池電壓表明電池深度放電。因此電池必須先以小電流充電，直至電池電壓達到閥值 VPRECHG。這個(gè)階段稱(chēng)為預充電階段。 一旦電池電壓增大到某個(gè)閥值 (VPRECHG)，就可以用前面介紹的最大電流充電。該電流通過(guò)調節環(huán)路保持，稱(chēng)之為穩流／恒流階段。 當電池電壓增大到設定的穩定電壓且充電電流已經(jīng)下降，電池即處于滿(mǎn)充狀態(tài)。在充電電流不斷下降的同時(shí)，充電器工作在穩壓/恒壓階段。鋰離子(Li-Ion) 電池的典型穩壓為 4.2V。 要以最快速度完成充電，充電器必須能夠提供已為其設定的最大電流，直至 VBAT = 4.2V。 要確定允許的輸入電壓最小值 (VBUS_MIN)，設計人員必須考慮下列因素： · VBUS 和 VBAT 之間的工作電壓預留空間支持目標充電電流范圍。 · 開(kāi)關(guān)穩壓器的最大占空比。 工作電壓預留空間 MOSFET 和電感器內部的電阻會(huì )在電流經(jīng)過(guò)時(shí)形成壓降。如果 VBUS 和 VBAT 之間的壓差過(guò)小，就無(wú)法達到目標充電電流。例如，如果 VBUS 為 4.3V，VBAT 為4.2V，從 BUS 輸入到電池的總電阻為 150mΩ，那么到電池的最大電流是 660mA。 開(kāi)關(guān)穩壓器的最大占空比 在現實(shí)中沒(méi)有一款高側 NMOS 降壓轉換器能夠實(shí)現 100% 的占空比。在 HSFET/LSFET 開(kāi)啟/關(guān)閉過(guò)程中，為了避免短路總會(huì )有停滯時(shí)間。如果占空比超過(guò)最大值，開(kāi)關(guān)調穩壓器會(huì )跳過(guò)某些 LSFET 開(kāi)-啟脈沖，維持平均輸出電流/電壓。 如何計算 VBUS_MIN 閥值 VBUS_MIN 閥值是支持目標最大充電電流及保持占空比低于降壓轉換器最大占空比所需的最低 BUS 引腳電壓-。圖 3 顯示了工作在連續導通模式 (CCM) 的降壓轉換器的電感器電流和開(kāi)關(guān)節點(diǎn)電壓。VBUS 可借助電感器的紋波電流計算，按如下方式推導得到。
在電感器的電流上升沿：
在電感器的電流下降沿：
由于紋波電流相同，則可得到 VBUS 公式。
等式 4 可以用一些假定條件加以簡(jiǎn)化： . 在 L=2.2μH 時(shí)，96% 占空比下紋波電流小于 300mA 。（該電流為平均電流。）在最大占空比為 96% 時(shí)，（1-D）/D 與等式中第二項相比僅為 4.2%。因此第三項可忽略。 VBUS_MIN 閥值是最大占空比下的 VBUS 電壓。
如果 VBUS 電壓低于計算所得的 VBUS_MIN 閥值，電池就無(wú)法滿(mǎn)充。 最低 USB 電源電壓 本節將介紹由于輸入線(xiàn)路電阻的存在，在使用 USB 適配器時(shí)充電器的輸入電壓可能會(huì )降低至允許值以下。USB 規范規定在全負載情況下，來(lái)自低功率端口的供電電壓經(jīng)過(guò)所有集線(xiàn)器和線(xiàn)纜輸出到器件時(shí)可能會(huì )低至 4.1V。 假定圖 1 中的輸入電源是 USB 端口，VUSB 為 5V 、串聯(lián)電阻為 0。RIN 為線(xiàn)纜、連接器和 PCB 線(xiàn)跡的合計電阻。充電器模型為理想的降壓轉換器，可達到100% 占空比。 充電器的輸入電壓 (VBUS) 必須高于電池充電穩壓閥值VBATREG（通常為 4.2V）。假定 VUSB 的最小值為 4.75V。
假定從 USB 電源到 BUS 引腳的電阻 (R IN) 為400mΩ，表 1 所示為 USB2.0 端口和 USB 1.5A 適配器分別達到的最低 VBUS 電壓。 表 1：USB 電源對比
在最大占空比下，VBUS 接近 VBAT，故有 IUSB 略等于ICHG。將等式 5 展開(kāi)可以確定給定充電電流的最低輸入電源電壓。
可根據等式 7 來(lái)判斷需要多低的線(xiàn)纜和連接器電阻（例如選擇更高質(zhì)量的線(xiàn)纜和連接器）或需要多寬/多厚的PCB線(xiàn)跡，才能避免充電器 BUS 引腳處出現過(guò)大壓降，從而最大化適配器用于為電池充電的功率。 基于輸入電壓的動(dòng)態(tài)電源管理 (VIN-DPM) 如果需要使用多個(gè)適配器和/或線(xiàn)纜和/或連接器，可能難以在設計中考慮所有的線(xiàn)路電阻方案。具備VIN-DPM 功能的充電器不論輸入線(xiàn)路電阻的大小如何-，均能防止輸入電壓陡降。 什么是 VIN-DPM？ VIN-DPM 是許多 TI 充電器采用的模擬環(huán)路。該環(huán)路的目的是在不損壞適配器的情況下最在限度地從電源獲取可用電流，即限制輸入電流（進(jìn)而得到的充電電流）以維持電源電壓在 VIN-DPM 水平。這項特性可在USB 端口屬于輸入電源之一時(shí)采用。 在無(wú) VIN-DPM 功能下運行的情況 圖 4 是充電器在沒(méi)有得到 VIN-DPM 功能保護時(shí)的運行情況。隨著(zhù)系統負載電流和電池充電電流增大，輸入電流也隨之增大。因此電源內阻上的壓差增大。充電器輸入引腳上的電壓低于電源提供的額定輸出電壓。此外電源（電壓源）在能提供的電流大小上受額定值的約束。當負載電流大到維持充電電流和負載電流之和的輸入電流超過(guò)電源的電流供應能力時(shí)，輸入電壓-就會(huì )下降，原因是輸入電容器因所需的高電流放電。當輸入電壓降至欠壓閥值時(shí)，充電器就會(huì )關(guān)閉。在關(guān)閉這段時(shí)間內，輸入電壓會(huì )隨著(zhù)輸入電容器充電而恢復。一旦輸入電壓達到 UVLO，充電會(huì )再度開(kāi)始。充電器開(kāi)啟后會(huì )重復這個(gè)過(guò)程，導致充電電流中出現不理想的開(kāi)關(guān)脈沖。
VIN-DPM 的優(yōu)勢 具備 VIN-DPM 特性的充電器能通過(guò)限制輸入電流防止充電電流中出現不理想的開(kāi)關(guān)脈沖。具體而言，當輸入電壓下降并降至 VIN-DPM 閥值時(shí)，VIN-DPM 功能就會(huì )激活，將輸入電流降至更低的水平。這樣可以防止輸入電壓陡降至欠壓點(diǎn)�；谳斎腚妷旱膭�(dòng)態(tài)電源管理 (VIN-DPM) 適配器通常能夠提供 100mA 到數安培的電流，而最新的 USB 端口能夠提供高達 1.5A 乃至更大的電流。在使用具備 VIN-DPM 功能的充電器時(shí)，便攜式設備制造商能針對有特定輸出功率限制（電流限制等）的適配器和USB 端口優(yōu)化充電器。VIN-DPM 允許使用其它較低成本的適配器、USB 端口和/或線(xiàn)纜。例如，如果智能電話(huà)的充電器具備 VIN-DPM 功能，就可以在不造成端口電壓陡降的情況下，使用低成本高阻USB 充電線(xiàn)纜從 1.5A USB 端口獲得最大充電功率。圖 5 顯示了電源的兩種不同輸入電阻給 IC 造成的影響。評估電路可以是bq24192 、bq24250、bq24260 或 bq24295 等電池充電器，配置為 1.5A 輸入電流限值、2.0A 充電電流和4.76V VIN-DPM 閥值。
在兩種情況下，充電均持續進(jìn)行，適配器未發(fā)生損壞。但是，在圖 5(b) 中，VIN-DPM 電路為應對串聯(lián)電阻上的壓差降低了輸入電流限值。隨著(zhù)輸入電流的降低，充電器會(huì )首先降低充電電流，然后降低系統負載電流。- 結論 電源和充電器之間的電阻會(huì )阻礙充電器從電源獲得最大功率，導致電源電壓陡降，造成充電器欠壓閉鎖。已經(jīng)有了用來(lái)計算充電器所需最小電源電壓的方程式，其可計算既定電源適配器的最大充電電流。此外， VIN-DPM 特性還能動(dòng)態(tài)地降低充電器的輸入電流限值，避免適配器電壓陡降，因而允許使用多種類(lèi)型的適配器和/或電源連接。 |
