開關電池充電IC應用

ID:988595 · 發表于 2022-3-9 10:50

更長的電池壽命和更短的充電時間是現代手持式應用（如智能手機，平板電腦，POS和其他便攜式設備）電池管理中的一些挑戰。
具有強大處理器的設備耗電量更大，需要更大容量的電池來保證電池壽命。為了快速為大容量電池充電，需要功能強大的大電流充電器。線性充電器的充電電流能力太有限，因此必須采用開關充電器拓撲結構。
離子電池充電
為鋰離子電池充電需要特別小心，因為錯誤的充電會縮短電池壽命，或損壞電池并導致不安全的條件。下面的圖1顯示了典型的鋰離子充電周期。

已經深度放電的鋰離子電池通常需要一些預處理：低于一定的電池電壓，電池充電器首先會提供較低的預充電電流，以預處理電池以進行正常充電。這種預調節還可以復位電池內部欠壓保護。在正常使用中，不會使用預充電循環，因為大多數應用不允許電池深度放電。
當電池電壓超過預充電電平時，充電器進入快速充電模式。在這種模式下，充電器提供預定義的恒流（CC），這通常與電池容量有關。大多數鋰離子應用可以在0.5C至1C（其中C是電池容量以Ah為單位）的電流下快速充電。具有較低內部阻抗的電池可以使用較高的充電電流。高電流鋰聚合物（Li-Po）電池（即無人機中使用的類型）使用特殊的電池結構，可以接受更高的充電速率，如2C~4C。
當電池電壓達到電池調節電壓時，充電器將從恒流模式切換到恒壓（CV）模式，充電電流慢慢衰減。需要精確控制最大CV調節電壓，以防止過充電和潛在的電池損壞。鋰離子電池的CV電平在4.15至4.4V之間變化。當電池電壓處于其調節電壓并且充電電流降至額定充電電流的5%以下時，大多數鋰離子電池被認為是完全充電的。此時，充電將終止。不建議連續涓流充電鋰離子電池，因為這會縮短電池壽命。當電池電壓降至一定水平以下（通常在3.9V或4.0V左右）時，大多數充電器將啟動重新充電周期。
從上面可以清楚地看出，鋰離子電池充電器需要具有精確的電池電壓檢測和單獨的控制環路，以實現恒定輸出電流和恒定輸出電壓。開關充電器可用于各種電池，這意味著許多充電控制參數需要可調。最方便的方法是通過I2C 控制。
鋰離子電池快速充電的挑戰
在許多電池充電應用中，有一些實際原因會限制電池的理想充電條件。圖2對此進行了說明。

輸入電源可能無法提供電池充電器所需的輸入電流和電壓，以便在快速充電條件下為電池提供最佳充電。當輸入電源從電流能力有限的USB端口獲取時尤其如此。
· 當充電電流變高時，充電器和電池（PCB走線、連接器、保護MOSFET Rdson和電池Ri）之間的總電阻將導致電壓下降。這將導致實際電池電壓與檢測到的電池電壓之間存在誤差。
· 快速充電將加熱電池。大多數電池充電器將檢測電池溫度，并且在電池溫度升高時充電電流和/或充電電壓將降低，以避免過熱。
· 當系統電源+電池充電功率超過輸入功率限制時，增加的系統負載可能會降低電池充電電流。
開關充電器應用及特殊功能
典型的開關充電器應用如圖3所示

開關充電IC的輸入電源通常來自USB端口。開關充電器基本上是一個具有電壓和電流控制環路的降壓轉換器，可將VBUS電源降壓至合適的電壓，以便系統電源和電池充電。大多數應用都有一個應用處理器，用于檢測連接的USB端口功能，并根據輸入功能和所使用的電池類型設置充電條件。開關充電器包含許多用于電池充電以及輸入電流和電壓控制的控制功能。以下部分介紹了切換充電器的一些特殊功能，以處理輸入USB兼容性和優化電池充電條件。
平均輸入電流調節（AICR）
大多數開關充電器都實現了一個平均輸入電流調節環路。該控制環路將調整充電電流，使充電器輸入電流不超過一定水平。輸入電流電平可通過I設置2C基于輸入源電流的能力，或通過自動（USB）充電端口檢測。開關充電器的輸入電流由下式定義：IIN=VBATT·ICHARGE/η·VIN其中η是充電器效率。因此，在AICR模式下，電池快速充電電流將隨著電池電壓的升高而下降。
最小輸入電壓調節（MIVR）
由于并不總是清楚連接了哪種電源，因此可能會發生充電器從電源吸收過多電流的情況，這可能會使電源過載。為避免這種情況，可以激活一個最小輸入電壓控制環路，該環路監視充電器輸入電壓，并在輸入電壓降至一定電平以下時降低電池充電電流。對于從USB端口充電，MIVR級別可以設置為4.5V，以確保USB端口不會過載。
通過D+和D-引腳進行USB充電端口檢測
默認的USB2.0端口只能提供500mA的電流，因此從默認USB端口充電時，充電器輸入電流應保持在500mA以下，以避免端口過載。因此，大多數開關充電器將在默認啟動條件下以AICR 500mA模式開始工作。為了適應USB上的更高電流，USB電池充電標準BC1.2定義了一種利用D+和D-數據線來傳達USB端口電源功能的方法。BC1.2標準定義了3種類型的端口：
· 標準下行端口（SDP）（主機D+和D-各具有15k個GND電阻）
· 專用充電端口（DCP）（主機D+和D-連接在一起）
· 充電下游端口（CDP）（主機包括一些與檢測電路握手的邏輯）
SDP只能提供500mA的電流，而DCP和CDP可以提供至少1.5A的電流。DCP無法通過D+和D-行傳輸數據，但CDP可以使用D+和D-行進行數據傳輸。
除了BC1.2標準外，還有一些品牌特定的D+/D-配置可以被充電IC識別，例如Apple，Samsung，Sony，Nikon適配器，它們使用D+和D-的特定電阻分頻器進行識別。
充電IC將在啟動期間檢查主機D+和D-線路，并確定連接的主機端口類型。然后，它可以配置AICR電流電平以匹配連接的USB端口或適配器功能。
紅外補償功能
如圖2所示，充電器輸出到電池的電阻（包括PCB走線電阻、電池連接器電阻、電池保護MOSFETS Rdson和電池內部電阻）將導致充電ICV電池檢測引腳與實際電池電壓之間的電壓下降。這種效應在較高的充電電流下變得更加明顯，并將導致過早進入CV充電模式。由此產生的效果是延長CV充電周期，從而增加了總充電時間。此行為如圖4所示。

為了補償IR壓降，一些開關充電器具有可編程IR補償，這使得可以根據充電IC和電池之間的總電阻向充電IC電池電壓檢測添加電流相關補償因子。帶紅外補償的充電曲線示例如圖5所示。

在不同的電池溫度下為電池充電
大多數開關充電器將遵循JEITA指南，用于在各種電池溫度下對鋰離子電池的充電條件。JEITA指南定義了5個溫度范圍，其中不同的充電條件適用：冷，冷，正常，熱和熱。在冷熱范圍內，不允許充電。在冷暖條件下，建議降低充電電流或充電電壓，或降低兩者。在常溫范圍內，充電電壓和電流可以保持在標稱值。見圖6。

充電IC通過將電池NTC連接到與IC基準電壓偏置的電阻分壓器來感測溫度范圍。可以選擇RTH1和RTH2的值以匹配0處的IC V-TS冷閾值和熱閾值oC和60oC基于所使用的NTC類型。充電IC將自動更改冷暖范圍內的充電條件，并在冷熱條件下暫停充電。大多數充電IC允許在冷暖溫度范圍內對充電條件進行可編程更改。
圖7顯示了電池溫度檢測應用，以及不同溫度范圍內不同電池充電電流和充電電壓的示例。

自動電源路徑功能具有自動電源路徑功能的開關充電器能夠選擇用于為系統供電的電源。圖8顯示了連接充電適配器、在系統同時為電池充電的情況。電源路徑MOSFET接通，降壓級提供系統負載電流和請求的電池充電電流，只要輸入電源能夠提供足夠的I在以適應這一點。如果請求的總輸入電流超過AICR限值，充電器將減小電池充電電流，以保證請求的系統電流，并將輸入電流保持在AICR限值以下。

圖8：充電器同時提供系統負載和電池充電電流

在極端系統負載情況下，電池電流甚至可以反轉，其中適配器和電池都可以提供系統負載。（圖9）

圖9：充電器和電池提供的系統負載

當電池充滿電時，電源路徑控制MOSFET將被關閉，在這種情況下，只有適配器提供系統負載電源。（圖10）。某些充電器具有出廠模式，其中充電器在未連接電池時提供穩定的系統電壓。

圖10：電池充滿電：充電器提供系統負載。

卸下適配器后，電源路徑控制MOSFET將再次接通，電池將自動為系統負載供電。VIN線路中的阻斷MOSFET將被關斷（圖11）

圖11：無輸入電源的充電器，電池提供系統負載

如果器件長時間不使用（即在運輸期間），某些充電器可以設置運輸模式，其中電源路徑控制MOSFET完全關閉，當不提供輸入電源時也是如此。在此模式下，電池泄漏最小化。運輸模式可以通過施加輸入電源或I來重置2C命令。見圖12。

圖12：裝運模式下的充電器，電池泄漏最小

USB 移動辦公（OTG）功能
許多便攜式設備都有一個具有多個角色的USB端口：當適配器連接到它時，該端口可以用作充電輸入;它可以用作主機USB端口，用于連接閃存驅動器，數碼相機，鼠標或鍵盤等外部從設備;但它也可以連接到PC進行數據交換。這意味著USB端口有時在充電期間充當電源輸入，但在某些情況下，它需要為外部從設備供電，或者它可以充當從設備本身。USB On-The-Go（OTG）定義了這些不同的操作模式，利用Mini和Micro USB連接器中的ID引腳，將特定設備標識為主機或從設備。在雙角色便攜式設備中，應用處理器（AP）檢測ID引腳并與連接的設備通信，以確定它是主機還是從設備，以及是否需要為外部設備供電。在主機模式下，AP將激活開關充電器的OTG模式。OTG激活將配置開關MOSFET以在同步升壓模式下工作：使用與充電期間在同步降壓模式下使用的相同MOSFET開關，將電池電壓升壓至MID引腳5V。然后，MID電壓通過激活反向阻斷MOSFET連接到VBUS電壓。OTG函數如圖13所示。

圖13可編程升壓轉換器電流限制允許OTG輸出與USB端口功能兼容。

一些充電器允許禁用反向阻斷MOSFET，MID引腳上的升壓電壓可以像在移動電源中一樣用作單獨的5V輸出。
以更高的輸入電壓充電
在5V輸入電壓下，高電池充電電流也會很快導致高輸入電流，因為鋰離子電池電壓不會比5V低多少。適配器電流限制和電纜/連接器電流限制將成為最大充電電流的限制因素。（例如，微型USB連接器的最大額定電流約為1.8A）。現在的開關充電器具有更高的工作輸入電壓額定值，因此可以從高于5V（例如9V或12V）的電源運行。由于降壓開關充電器的輸入電流定義如下：，IIN=VBATT·ICHARGE/η·VIN較高的輸入電壓將減小輸入電流。應該注意的是，較高的輸入電壓也會增加轉換器的開關損耗，從而降低轉換效率。這可以通過降低開關頻率來補償，但代價是更大的濾波器元件。利用USB端口的可變 VBUS 電壓充電系統將在5V輸入條件下默認啟動，以避免損壞標準5V純系統。連接后，充電器和適配器之間必須進行通信，以確保可以在不損壞充電器電路的情況下增加USB總線電壓。

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