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在上期中，我們對雙電源分立式和集成式儀表放大器進(jìn)行了對比，并詳細(xì)分析了三種雙電源 IA 電路。

本期，為大家?guī)淼氖恰恫捎?a href="http://www.xebio.com.cn/analog_power" target="_blank" class="keylink">電源路徑電池充電器優(yōu)化應(yīng)用》，將解讀如何選擇電源路徑或非電源路徑電池充電器，以及這一決策對充電 IC 功能的關(guān)鍵影響。

引言

電池選項眾多且系統(tǒng)要求各異，要想設(shè)計最佳電池充電集成電路 (IC) 以最大限度延長電池壽命并實現(xiàn)最佳系統(tǒng)性能，可能充滿挑戰(zhàn)。是選擇電源路徑電池充電器還是非電源路徑電池充電器，這一決策會對充電 IC 的功能產(chǎn)生重大影響。

圖 1 展示了非電源路徑器件具有一條充電路徑，其中系統(tǒng)和電池連接到同一個節(jié)點。由于您無法控制用于為系統(tǒng)供電的電流與為電池充電的電流，因此當(dāng)您無需同時使用系統(tǒng)和為電池充電時，非電源路徑充電便是有效的選擇。剃須刀或電動自行車等應(yīng)用非常適合非電源路徑充電器。

由于電池中集成的 Q2 金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 使您能夠定制用于為系統(tǒng)供電的電流與為電池充電的電流，因此當(dāng)同時需要充電和使用系統(tǒng)時，電源路徑充電是更好的產(chǎn)品選擇。當(dāng)電池深度放電時，這種定制也很有用。由于深度放電的電池通常以較小的電流充電，因此電源路徑器件可以通過適配器獨立調(diào)節(jié)系統(tǒng)電流和電池電流，從而為電池提供較小的電流，確保系統(tǒng)仍然獲得啟動所需的功率。

當(dāng)電池充電時對系統(tǒng)電流的需求較高時，Q2 MOSFET 也可以導(dǎo)通，將輸入和電池的功率結(jié)合起來，以支持系統(tǒng)負(fù)載。該功能稱為補充模式，在該模式下，器件將從電池拉取電流，對輸入電流進(jìn)行補充，防止系統(tǒng)拉取的電流大于輸入所能提供的電流。受益于電源路徑充電器功能的典型應(yīng)用是智能手機。 

以下各節(jié)介紹了電源路徑拓?fù)淙绾翁岣呦到y(tǒng)性能和延長電池壽命。 

最大限度地延長貨架期

產(chǎn)品在消費者購買之前可能會在運輸途中和貨架上放置數(shù)月，而消費者通常更喜歡開箱即用。由于一些國家/地區(qū)采用了新的運輸限制，限制電池在運輸前只能保存一定的電量，因此節(jié)省每一點電池容量至關(guān)重要。

在非電源路徑拓?fù)渲校到y(tǒng)必須進(jìn)入低功耗模式，因為系統(tǒng)直接連接到電池。低功耗模式通常要求使用負(fù)載開關(guān)或其他方式將電池與系統(tǒng)相隔離。

在電源路徑拓?fù)渲校姵?FET 可以在運輸模式下斷開電池與系統(tǒng)的連接，這是產(chǎn)品消耗最低電池電流的狀態(tài)。運輸模式還可以通過關(guān)閉電池 FET 來防止電池為系統(tǒng)供電。通過設(shè)計具有電源路徑和運輸模式的充電 IC，可以在消費者插入適配器或按下電源按鈕時立即實現(xiàn)開箱即用。

執(zhí)行看門狗復(fù)位 

在某些情況下，當(dāng)系統(tǒng)處理器或主機無響應(yīng)時，可能需要強制執(zhí)行硬件復(fù)位或下電上電；您可以通過看門狗復(fù)位來完成此操作。例如，在 TI 的 BQ25180 充電器器件上，當(dāng)滿足以下條件時，可以進(jìn)行硬件復(fù)位：

? 插入適配器后 15 秒或更長時間內(nèi)無 I2C 通信。

? 用戶已長時間按下復(fù)位按鈕。

? 距離上次 I2C 通信的時間超過 40s。

在硬件復(fù)位序列期間，充電器 IC 斷開系統(tǒng)與電池和適配器（如果有）的連接，等待可配置的持續(xù)時間，然后重新開啟系統(tǒng)，從而實現(xiàn)系統(tǒng)啟動和初始化。由于電池物理連接到系統(tǒng)，因此非電源路徑充電器器件中可能需要使用外部負(fù)載開關(guān)來執(zhí)行硬件復(fù)位。 

利用全部電池容量 

在設(shè)計充電器 IC 時，獲得最大的電池容量是首要目標(biāo)，因為這會為用戶帶來更多的充電間隔時間。不準(zhǔn)確的終止電流 (ITERM) 監(jiān)測可能會導(dǎo)致充電終止值高于所需的 ITERM 值，從而無法使用全部電池容量，如圖 2 所示。

電源路徑可通過精度更高的 ITERM 實現(xiàn)最大的電池容量。在鋰離子充電曲線中，充電電流在恒壓階段逐漸減小，直至達(dá)到 ITERM，然后關(guān)閉。為了最大程度地提高電池容量，必須具有低 ITERM 以及精確測量低 ITERM 值以精確終止充電的能力。電源路徑通過測量流經(jīng) Q2 電池 FET 的電流，可在低值時實現(xiàn)精確的電流監(jiān)測。

圖 2 還重點說明了不準(zhǔn)確的 ITERM 監(jiān)測如何導(dǎo)致在 4mA（而非 1mA）終止，這意味著用戶將損失 5% 的可用 41mAhr 電池容量。由于電源路徑充電器單獨調(diào)節(jié)充電電流和系統(tǒng)電流，因此系統(tǒng)電流的任何變化都不會影響充電電流。因此，充電終止可以在一個穩(wěn)定的預(yù)定值上發(fā)生，從而最大程度地提高電池的荷電狀態(tài)。

使用電源路徑來實現(xiàn)精確的低 ITERM 類似于使用水龍頭注滿一杯水。在該類比中，杯子是電池，杯子中的水是電池中的電量，從水龍頭中流出來的水是充電電流。目標(biāo)是在不使水溢出的情況下盡可能注滿杯子。隨著水接近頂部，緩慢減小水龍頭的水流量，從而可以輕松控制水位，這樣就可以更輕松地實現(xiàn)該目標(biāo)。如果始終使水龍頭具有最快的水流量，則可能會導(dǎo)致水溢出，或者您需要在注滿杯子之前將杯子從水龍頭移開。回到電池充電器術(shù)語，通過將充電電流（從水龍頭流出的水）減小至受控且可測量的 ITERM，充電器就能夠用盡可能多的電量（杯子中的水）填充電池（杯子），而不會使電池過度充電或充電不足。 

最大限度地減小電池疲勞 

可充電電池經(jīng)歷多次充電和放電循環(huán)后，其為系統(tǒng)供電的能力會下降，這可能會對其性能和運行時間產(chǎn)生負(fù)面影響。為了最大限度地延長電池和系統(tǒng)的壽命，設(shè)計 IC 來限制電池的總體循環(huán)次數(shù)非常重要。

圖 3 顯示鋰離子電池的電池容量隨著充電循環(huán)次數(shù)的增加而降低。通過設(shè)計電源路徑電池充電 IC，您可以通過關(guān)閉電池 FET 來最大限度地延長電池壽命 – 直接通過適配器為系統(tǒng)供電，防止系統(tǒng)使用電池供電，從而無需對電池進(jìn)行放電和充電。通過電源路徑，您可以選擇僅使用適配器為系統(tǒng)供電（如果有適配器），這會減少電池的充電循環(huán)次數(shù)并最大限度地延長其壽命。

備注:“影響基于 LiCoO2 的鋰離子電池的循環(huán)壽命和可能的降級機制的因素”，電源雜志 111 (2002) 130-136。

TI 電源路徑電池充電器 

BQ25180 等線性充電器在充電電流小于 1A 的應(yīng)用中很有用。BQ25180 配備運輸模式，可提供低功耗模式以節(jié)省電池電量。在運輸模式下，電池靜態(tài)電流僅為 15nA，明顯低于BQ25180 正常工作時的 3μA 電池靜態(tài)電流。可以對 BQ25180 進(jìn)行編程，使其具有 0.5mA 的極低 ITERM，這有助于將電池充滿電。調(diào)節(jié) ITERM 很簡單，因為它是固定的編程快速充電電流的 10%，并且可以通過 I2C 通信輕松更改。該充電器還通過補充模式優(yōu)先提供系統(tǒng)電源。

BQ25620 是一款配備電源路徑的開關(guān)降壓充電器。開關(guān)充電器在需要充電電流大于 1A 的應(yīng)用中非常有用，因為開關(guān)充電器更適合高功率應(yīng)用。BQ25620 可支持高達(dá) 3.5A 的充電電流。它還具有用于節(jié)省電池電量的運輸模式，電池靜態(tài)電流為 150nA，而補充模式可優(yōu)化系統(tǒng)性能。為了最大限度地提高電池容量，BQ25620 的 ITERM 低至10mA，并且可通過 I2C 通信輕松定制。