原创 快充及开关模式充电器的设计

2020-7-23 09:11 271 5 4 分类: 消费电子

对于现今的智能手机、平板电脑、移动销售终端等便携式设备来说,电池使用时间和充电时间都成了问题,主要是因为越来越强大的处理器对电源的消耗也越来越大了,电池的容量必须不断增长以满足使用时长的需求。要对大容量的电池进行充电,延长充电时间或加大充电电流以缩短充电时间就成了必然的选择,而为了使用上的便利性,选择加大充电电流必然成为最后的唯一选项。

要用大电流对电池进行充电,传统的线性充电器件受到诸多限制,以开关模式工作的充电器件走上前台成为大多数情况下的必然之选。


锂离子电池的充电策略

对锂离子电池的充电是需要特别小心的,因为错误的充电方法可以缩短电池寿命、对电池造成伤害,甚至可能造成安全问题。下图显示的是最典型的锂离子电池充电策略:

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图1

深度放电的锂离子电池在充电初期需要一个预充过程,这时候的电池电压低于某个阈值,充电电流必须很小,这样可以使电池进入可以接受大电流充电的状态。预充过程还有解除电池保护电路的欠压保护状态的作用。在正常的使用状态下,预充过程通常不会发生,因为大多数应用都不会容许进入电池的深度放电状态。

当电池电压超过预充阈值以后,充电过程就可以进入快充状态。在这种模式下,充电器件按照预先定义好的恒定电流(CC, Constant Current)为电池提供电流,其数据通常是与电池的容量相关的。大多数应用的快充电流介于0.5C~1C之间(C是电池的容量,其单位一般为Ah或mAh),较低内阻的电池可以使用较高的充电速率,这个规则反过来也是成立的。大电流的锂聚合物电池具有特别的构造,它们可以接受比较高的充电速率(如2C~4C)。

当电池电压达到电池额定电压的时候,充电器就要从恒流(CC)模式切入恒压(CV, Constant Voltage)模式,充电电流也会逐渐下降。对充电器的恒压模式输出电压需要进行精确的控制以避免对电池的过充和可能导致的危险,这个值通常介于4.15V~4.4V之间。对于大多数锂离子电池来说,所谓的充满是指电池的电压达到了它的额定电压,而且充电的电流也降到额定充电电流的5%以下了。一旦如此,充电过程就要被终止。对充满以后的锂离子电池进行持续的涓流充电是不被推荐的,那将导致电池寿命的缩减。假如电池电压在充电终止以后又下降到了某个阈值(通常在3.9V~4.0V之间),大多数充电器件会重启充电过程。

从上述内容可以看出,锂离子电池充电器件需要具有精确的电池电压检测能力和对输出电压、输出电流分别进行控制以实现恒流输出、恒压输出的能力。当把开关模式的充电器件用于这样的应用中时,由于应用场合的多样性,它的很多参数应当是可调的,而最好用的控制参数的传送接口通常是I2C接口。


对锂离子电池进行快充面临的挑战

在对锂离子电池进行快速充电的实践中,有许多实际的因素对理想充电条件的达成构成了限制条件,图2对此进行了表达。

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图2

· 电源供应器可能提供不了足够的电流和电压以满足快速充电的需求,这种状况在从USB端口取电时尤其突出,因为它们具有严格的输出电流限制。

· 充电电流变大以后,充电器件和电池连接线路上的电阻(包括PCB线路电阻、连接器电阻、保护用MOSFET的导通电阻和电池内阻等)上的电压降都会变大,这将导致检测到的电池电压和实际的电池电压之间的差异。

· 快充会导致电池温升的提高,因此大部分充电器件都会对电池温度进行检测,并在温度太高时降低充电电流和/或电压以避免过热状况的发生。

· 当系统功率消耗与电池充电功率的和超过电源供应器的最大供应能力时,系统消耗的增加就意味着电池充电电流的减少。


开关模式充电器件的应用和它们的特殊功能

图3显示了开关模式充电器件的典型应用状况:

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图3

在实际应用中,充电IC的电源供应常常来源于USB端口,而开关模式充电器件实际上就是基本的Buck架构转换器再加上输出电压和输出电流的控制回路而形成的,其作用是将VBUS电压转换为适合系统供电用的电压,同时为电池进行充电。大多数应用系统都会有一个应用处理器,它可以对接入的USB端口的供电能力进行检测,再根据此能力和所用电池的类型对充电的参数进行设定,而开关模式充电器件也含有很多与电池充电有关的功能与之进行配合,它们也同时具有对输入电压和电流进行控制的能力以适配具体的环境。下面的段落将对开关模式充电器件的特殊功能进行描述,说明它们是如何与USB端口的能力进行配合的,又是如何对充电参数进行优化的。


平均输入电流调整(AICR)

大多数开关模式充电器件都会将平均输入电流调整(AICR)的功能纳入其设计中,其目标是通过对充电电流的调节使充电器的输入电流不要超过某个门限,而输入电流的门限是根据供电源的负载能力来进行调整的,这种调整可以通过I2C接口进行,或是通过对USB端口的自动检测来实现。

开关模式充电器的输入电流由下述公式予以确定:

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其中的η是充电器的转换效率。很显然,在AICR模式下,当电池电压上升以后,充入电池的电流将会降低。


最低输入电压调整(MIVR)

由于不能总是清楚地知道与之连接的电源的种类,充电器件试图吸入的电流超过电源供应能力的状况是有可能发生的。为了避免这种问题,在充电器件中加入最低输入电压控制回路就成了合理的选择,它能对充电器的输入电压进行监测,并在输入电压下降至一定水平时降低电池充电电流使输入电压维持在某个阈值之上。假如通过USB端口进行充电,MIVR的水平就可以设定为4.5V,这样可以确保该USB端口不会出现过载的情形。


通过D+ 和D- 对USB充电端口进行检测

标准的USB 2.0端口只能提供500mA的电流,因此,当利用它为设备充电时,充电器的输入电流就必须低于500mA以避免造成端口过载。因为这个原因,大多数开关模式充电器都会在开始工作时就进入AICR = 500mA的模式。为了让USB端口能够通过更大的电流,USB-IF所制订的USB电池充电标准BC1.2定义了一套通过USB端口进行交流的方法,将D+ 和D- 数据线引入其中,使之能够发挥更大的效用。它所定义的端口类型有3种:

· 标准下行端口(SDP, Standard Downstream Port),它的D+ 和D- 各有一只15k电阻连接到GND。

· 专用充电端口(DCP, Dedicated Charging Port),它的D+ 和D- 连接在一起。

· 充电下行端口(CDP, Charging Downstream Port),它包含了一些逻辑电路,能够与检测电路进行握手操作。

SDP端口可以提供500mA电流输出,DCP和CDP则都能提供至少1.5A的电流输出。DCP端口是不能通过D+ 和D- 进行数据传输的,而CDP则仍然保留了通过D+ 和D- 进行数据传输的能力。

除了BC1.2所定义的方法以外,一些品牌厂商制订了自己的通过D+/D- 进行识别的方法。如Apple、Samsung、Sony和Nokia等厂商,它们的电源适配器都使用了自己定义的电阻分压器在D+ 和D- 上,便于它们自己的产品进行识别。

充电IC可以在上电过程中对USB端口上的D+ 和D- 线进行检测以确定自己连接到的端口类型,然后再据此设定AICR的电流阈值,确保与USB端口的类别或是电源适配器的能力是匹配的。


IR补偿功能

如图2显示的那样,充电器件的输出到电池之间的路径上存在PCB路径电阻、电池连接器阻抗、电池保护用MOSFET的导通电阻以及电池的内部阻抗,它们会在充电器件的电压检测端子和实际的电池之间形成压差,这种作用在较高的充电电流下会变得更明显,可以导致充电IC提前进入CV模式,其结果就是使CV充电的时间更长,因而加长了总的充电时间,此作用用图形来表达就如图4所示的那样。

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图4

为了消除IR压降所带来的影响,一些开关模式充电器件导入了可编程的IR压降补偿功能,可对充电IC所检测到的电压进行与实际电流有关的补偿,补偿的依据是充电IC与电池之间的总电阻的大小。添加了IR压降补偿的充电曲线显示在图5中。

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图 5


在不同的温度下对电池进行充电

很多开关模式充电器件都能按照JEITA所制订的规范在不同的温度下采取不同的充电策略,它们把实用的温度范围分成5个区间(冷,凉,常温,暖,热),并在不同的区间实施不同的充电参数。在冷、热区间里,充电是被禁止的;在凉、暖区间里,建议将充电电流和充电电压之一或是两者都降下来;在常温区间里,充电电压和充电电流都保持在正常值。具体的规则见图6。

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图6

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图 7

对电池温度进行检测的方法是将电池包中的NTC热敏电阻和充电IC连接起来,并通过一个由IC生成的参考电压供电的电阻分压器进行偏置(如图7所示)。RTH1和RTH2的值可以根据所选热敏电阻的类型进行选择,其目标是使热敏电阻在0°C 和 60°C下所形成的TS端电压与IC内部的判定冷和热的阈值刚好一致。此后,充电IC即可自动改变其在凉、暖温区的充电参数,并在冷、热温区里进入充电挂起状态。大部分充电IC都容许对凉、暖温区的充电参数进行程序化的改变。图7除了给出电池温度检测的方法外,还给出了在不同温度区间对充电电流和电压进行修改的例子。


自动电源路径管理

具有自动电源路径管理功能的开关模式充电器件具有为系统负载选择电源的能力。在图8所示的电路中,充电器件与电源适配器连接,电池正在被充电,系统也正在被供电,这时的电源路径MOSFET处于导通状态,Buck功率级在为系统提供工作电流的同时也在为电池提供充电电流。

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图 8: 充电器同时为系统和电池充电提供电流

在系统负载很重的时候,电池电流可以倒转过来,实际上就是适配器和电池一起向负载供电(如图9所示)。

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图 9: 充电器和电池一起为负载供电

当电池被充满了的时候,作为电流通道存在的MOSFET开关就会被关断,这时候就只有适配器在向系统负载供电了(如图10所示)。某些充电器件具有一种被称为工厂模式的状态,它能在没有电池存在的情况下为系统提供稳定的工作电压。

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图10: 电池充满状态:充电器仅为系统供电

当适配器被移除时,电源路径控制开关将会自动接通,电池开始向系统负载供电,此时位于VIN进入路径上起阻断作用的MOSFET开关将会关断,开始发挥其应有的作用。(见图11)

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图11: 充电器件没有了输入,电池开始为负载供电

假如设备将在很长一段时间内不会被使用(例如处于运输阶段),某些充电器件还能进入运输模式。在运输模式下,用于电源路径管理的MOSFET会被关断,这样就可将电池电量的损耗降低到最小化。只要重新接入外部电源,或是通过I2C接口发送命令,充电器件的运输模式就可以被终止。参见图12。

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图 12: 处于运输模式的充电器件,电池消耗降到了最低


USB On-The-Go (OTG)功能

有些便携式设备的USB端口可以承担多种角色:与适配器连接的时候是充电的电源输入端口;与slave(从设备)如闪存盘、数码相机、鼠标或键盘连接的时候是Host(主机)端口;还可以作为slave(从设备)与PC连接起来进行数据交换。这样的设计意味着此端口在某些时候是电源输入端,有些时候又需要向外部连接的设备供电,有些时候就完全是一个slave端口。USB On-The-Go(OTG)对这样的端口进行了定义,它在小型和微型USB连接器里新增了一个ID端子,目的是对设备的Host或slave角色进行标识。在有这样的端口的设备中,应用处理器通过检测ID端的状态并和连接设备进行通讯来决定它到底是Host还是slave,也由此决定它是否需要向外部设备供电。在Host状态下,应用处理器将激活开关模式充电器件的OTG模式,它将使其在充电时工作在Buck模式下的MOSFET开关以同步Boost方式工作,从电池取电将MID端的电压提升到5V,再打开连接MID端和VIN端的阻断开关使5V电压输出到端口上。充电器件的OTG工作状态显示在图13中。

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图13

工作在Boost模式下的转换器的输出电流限制是可编程的,这就容许OTG模式的输出可以兼容于普通的USB端口。

某些充电IC的反向阻止开关可以被禁止导通,这样就使得位于MID端的Boost转换器的输出可以作为独立的5V电源来使用,移动电源方案通常就是这样做的。


用高输入电压进行充电

在以5V作为输入电压时,电池充电的大电流很容易就能导致高输入电流的形成,因为锂离子电池的电压并没有比5V低多少,由适配器的电流限制和电缆、连接器的电流限制很快就会成为大电流充电的限制因素(举例而言,微型USB连接器的最大电流承受能力就只有1.8A)。新型的开关模式充电器件通常能够工作在更高的输入电压下,这样就可以使用高于5V的输入电压(例如9V、12V)。由于降压型开关模式充电器的输入电流是由公式 Technical Document Image Preview 决定的,输入电压较高就可以降低输入电流。需要注意的是,较高的输入电压也会导致转换器损耗的提高,因而转换效率也会下降,但这可以通过降低开关切换频率进行一些补偿,只是这样也需要使用更大一些的滤波元件。

对于可以改变输入电压的充电系统来说,出现在USB端口上的初始电压必须仍然是5V以避免对标准的单5V系统造成伤害。这样的系统在连接以后会有通讯信号在充电器件和适配器之间进行传递,以便出现在USB VBUS上的电压是可以提高的,很多公司已经开发了自己的特殊通讯方法来完成这一任务。

高通公司解决此问题的方法是定义了QuickChargeTM协议,它使用D+ 和D- 信号线与适配器进行沟通。

MediaTek所发展的方法被称为MTK Pump ExpressTM,它让充电IC对输入电流进行调制以实现和适配器之间的通讯。

使用全新USB C型接口的设备可以利用标准的USB PD协议在充电器件和适配器之间进行通讯,它可让VBUS上的电压在5V~20V之间变化,而电流则可以高达5A。


来源:立锜科技电子报

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