利用电源路径管理提升开关充电器效率

随着智能手机、平板电脑和摄像机等便携设备的不断普及，人们对电源的要求以及对边充电边使用这些设备的能力的要求与日俱增。更高的功率要求增加了对具有高功率密度和优异充电能力的电池的需求。目前，锂离子（Li-ion）电池和锂聚合物（Li-po）电池最适合当前市场对功率密度、充电能力和价格的要求。但是，有别于铅酸、镍氢等其他流行的电池技术，锂电池技术的性能也最不稳定：锂电池充放电若管理不善，将导致充电时间长、耗散功率高、效率低和电池寿命比平均寿命低等问题。图1显示了典型锂离子电池的充电曲线。

传统充电器相对简单，这些充电器在小功率应用中表现较好。然而，它们却不能有效地适应充电曲线的变化，比如，用户在不同电源之间切换或者在充电期间操作设备。另外，传统充电器在大功率和大电流应用中，通常效率较低，耗散功率较大。

图1：典型锂离子电池的充电曲线

新型线性和开关充电器，比如芯源系统（MPS）公司的MP2600系列，采用电源路径管理技术改变了充电曲线，从而能够以更低的耗散功率更加高效地为电池/系统供电。同时，这些充电器也使系统的安全性和电池的使用寿命得到提高。　　

电源管理拓扑种类繁多，本文则重点介绍以下三种：电池馈电、自动选择和动态电源路径。　　

电池馈电拓扑　　

电池馈电拓扑是一种实现过程最简单、成本最低的拓扑，这是因为其电路由充电器、电池和系统组成，如图2所示。

图2：电池馈电拓扑原理图及信号图

这种拓扑有三个主要特性：无论供电电压如何变化，系统电压始终等于电池电压，电源系统始终优先，以便IBATT ￡ ICHG，并且ICHG最终限制由输入电源提供给系统电源总线的最大功率。当系统与充电器断开时该拓扑还可以实现最小的耗散功率，设置ICHG从根本上限定了总输入电流，这样，随着系统电流（ISYS）的增加，充电电流（IBATT）将等额下降，工作波形如图2所示。　　

遗憾的是，这种拓扑有如下不足之处，从而限制了它在更广应用领域的效率和效用：　　

在电池电压太低的情况下，系统无法工作。电池电压跌至涓流充电门限以下时，充电器将把总的输出电流限制得很低。系统的额外电源需求将由电池来补充，从而导致电池能量进一步耗尽。由于系统电压始终等于电池电压，一旦电池电压低到系统最低工作电压以下，系统将停止工作。　　

虽然电池已具有满电量，但是充电器无法进入EOC（结束充电）状态。如果ISYS超过电池满电量门限（IBF），那么ICHG就无法降到低于IBF，充电状态始终显示正在充电，即使电池已经具有满电量。　　

电池无法充满。由于系统优先于电池供电，因此电池只能以低电流进行充电。此外，充电器只能在预期的有效充电时间内工作，这样可以避免给坏电池充电。如充电时间超出此时间段，会导致充电器误判坏电池而停止充电。　　

电源路径自动选择拓扑　　

电源路径自动选择拓扑在电池直接搭载拓扑基础上外加了两个开关管，使得系统电源可以根据输入电压的变化在适配器和电池之间来回切换。拓扑结构及工作波形如图3所示。

图3：电源路径自动选择拓扑及工作波形

与电池馈电拓扑结构相比，此拓扑有实质性的改进。它将系统直接跟交流适配器相连，与充电器独立开来，因而能够提供更大的系统电流、更高的效率并且允许系统在低电池电压下工作。此外，其价格也比较低廉。然而，当适配器输出电压变化较大的时候，系统电压也会随之变化，所以此拓扑要求系统能够接受比较宽的输入电压变化范围。此外，也要求适配器具有更高的额定功率，以满足系统和充电器的最大总功率需求，以及系统负载突变时的功率变化要求。　　

图4是采用MPS公司的MP2611构成的电源路径自动选择拓扑的原理图。为了防止出现不稳定情况，当VBATT接近VIN时，MP2611会断开系统与电池的连接。此外，它还会在S1 （M1及M2）与S2（M3）之间插入一个消隐期，以防出现电流贯通，从而损坏系统和电池。

图4：采用MP2611构成的电源路径自动选择拓扑

动态电源路径管理拓扑（DPPM）　　

动态电源路径管理（DPPM）技术采用了一套附加的检测模块，测量系统电压或者输入电流，实时监测总功率需求。一旦功率需求超过预设值，通过充电器降低充电电流来保证适配器输出功率恒定而不过载。

例如，基于输入电压的DPPM（图5）通过比较输入电压与预设参考电压来判断输入电流是否达到适配器的输出电流限制。若适配器电流已经达到该限制，适配器电压将降至预设参考电压，然后充电器通过动态降低充电电流来防止系统电压继续下降。只要输入电流保持在该限制的水平或者低于该限制，就仍然有电流向电池充电。然而，由系统电压下降引起的不稳定或噪声使得这种基于电压的DPPM结构不适合应用在某些对噪声敏感的场合，比如音频设备。

图5：基于输入电压的动态电源路径管理

基于输入电流的DPPM（图6）采用检测电阻来评估输入电流，当输入电流达到预设电流门限时，通过动态降低电池电流来防止适配器过载或系统电压下降。这样就保证了系统电压的稳定，降低了适配器的额外功率要求。同时，该拓扑还具备电池反向补充供电的能力。

图6：基于输入电流的动态电源路径管理

有些充电器（例如MPS公司的MP2607）可以根据不同电源要求，优化选择不同的动态电源路径管理方案。MP2607根据不同的适配器类型，在基于输入电压和基于输入电流的DPPM两种拓扑之间进行智能选择。若输入是交流适配器，MP2607采用基于输入电压的DPPM技术，控制适配器交流电压，使得交流适配器可以同时为系统供电和为电池充电，工作波形如图7所示。

图7：MP2607在交流适配器输入时的动态电源路径管理

在USB输入模式下，MP2607采用基于输入电流的DPPM。如图8所示，考虑到USB提供电流能力有限，设置充电电流在USB限制电流以下。若系统负载电流大于USB限流值，电池将反向补充供电。

图8：MP2607在USB输入时的动态电源路径管理

总之，具有动态电源路径管理的充电器（尤其是那些能在不同管理模式之间切换的充电器）可以为移动电子设备提供更加精妙的电源解决方案，从而给用户带来前所未有的便利、性能和效率。