鋰離子(Li-ion)電(dian)(dian)池和鋰聚合(he)物(Li-po)電(dian)(dian)池最適合(he)當前市場(chang)對功率(lv)密(mi)度、充電(dian)(dian)能(neng)力和價格的(de)要求。但是(shi)，有別(bie)于鉛酸(suan)、鎳氫等(deng)其他(ta)流(liu)行的(de)電(dian)(dian)池技術(shu)，鋰電(dian)(dian)池技術(shu)的(de)性能(neng)也(ye)最不穩定：鋰電(dian)(dian)池充放(fang)電(dian)(dian)若管理不善，將導致充電(dian)(dian)時間長、耗散功率(lv)高(gao)、效率(lv)低(di)和電(dian)(dian)池壽命(ming)比平(ping)均壽命(ming)低(di)等(deng)問題。圖(tu)1顯(xian)示了典型鋰離子電(dian)(dian)池的(de)充電(dian)(dian)曲線。

　　傳統充電器相對簡單，這些充電(dian)器在(zai)(zai)小功(gong)率(lv)應用中表現較(jiao)(jiao)好(hao)。然而，它們卻不能有效地適應充電(dian)曲(qu)線的變化(hua)，比如，用戶在(zai)(zai)不同電(dian)源之間切換或者在(zai)(zai)充電(dian)期間操作設(she)備(bei)。另(ling)外，傳(chuan)統(tong)充電(dian)器在(zai)(zai)大功(gong)率(lv)和大電(dian)流應用中，通常效率(lv)較(jiao)(jiao)低，耗(hao)散功(gong)率(lv)較(jiao)(jiao)大。

　　

 

　　圖1:典型(xing)鋰離(li)子電池的充(chong)電曲線。

　　新型線性和開關充電器，比如芯源系(xi)統(MPS)公司的(de)MP2600系(xi)列，采用電源路(lu)徑管理(li)技術(shu)改變了(le)充(chong)電曲線(xian)，從而能(neng)夠以(yi)更低的(de)耗散功(gong)率更加高效地為電池(chi)/系(xi)統供電。同時，這些充(chong)電器也使(shi)系(xi)統的(de)安(an)全(quan)性和電池(chi)的(de)使(shi)用壽命(ming)得到提高。

　　電源(yuan)管理拓撲種類繁多，本文(wen)則重點(dian)介紹(shao)以下三種：電池饋電、自動選擇和(he)動態電源(yuan)路徑。

　　電池饋電拓撲

　　電(dian)池饋電(dian)拓撲是一種實現過程最簡單、成本最低的拓撲，這是因(yin)為(wei)其電(dian)路由充(chong)電(dian)器、電(dian)池和系統組成，如(ru)圖2所示。

　　

 

　　圖(tu)2:電池饋電拓撲原理(li)圖(tu)及信號圖(tu)。

　　這種拓撲有三個主要特(te)性：無(wu)論供電(dian)(dian)電(dian)(dian)壓(ya)如何變化，系統(tong)電(dian)(dian)壓(ya)始終等于(yu)電(dian)(dian)池電(dian)(dian)壓(ya)，電(dian)(dian)源(yuan)系統(tong)始終優先，以(yi)便IBATT ￡ ICHG,并且ICHG最終限制由輸入(ru)電(dian)(dian)源(yuan)提供給系統(tong)電(dian)(dian)源(yuan)總線的(de)(de)最大功率(lv)。當系統(tong)與(yu)充(chong)(chong)電(dian)(dian)器斷開時該拓撲還(huan)可以(yi)實現最小的(de)(de)耗散功率(lv)，設置(zhi)ICHG從(cong)根本上限定了總輸入(ru)電(dian)(dian)流(liu)，這樣，隨著系統(tong)電(dian)(dian)流(liu)(ISYS)的(de)(de)增加，充(chong)(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流(liu)(IBATT)將(jiang)等額下(xia)降，工作波(bo)形如圖(tu)2所示。

　　遺憾的是，這種拓撲(pu)有如下不足之處，從而限制了它在更廣(guang)應用領域的效(xiao)率和效(xiao)用：

　　在電(dian)池(chi)電(dian)壓(ya)太(tai)低(di)(di)(di)的(de)情況(kuang)下(xia)，系(xi)統無法工(gong)作(zuo)。電(dian)池(chi)電(dian)壓(ya)跌至涓流充(chong)電(dian)門限以下(xia)時，充(chong)電(dian)器(qi)將把總的(de)輸出電(dian)流限制得(de)很(hen)低(di)(di)(di)。系(xi)統的(de)額(e)外電(dian)源需求將由(you)電(dian)池(chi)來補充(chong)，從(cong)而導致電(dian)池(chi)能(neng)量(liang)進一(yi)步耗盡。由(you)于(yu)系(xi)統電(dian)壓(ya)始終(zhong)等于(yu)電(dian)池(chi)電(dian)壓(ya)，一(yi)旦電(dian)池(chi)電(dian)壓(ya)低(di)(di)(di)到系(xi)統最低(di)(di)(di)工(gong)作(zuo)電(dian)壓(ya)以下(xia)，系(xi)統將停止工(gong)作(zuo)。

　　雖然電(dian)(dian)(dian)池已具有(you)滿(man)電(dian)(dian)(dian)量，但是充(chong)電(dian)(dian)(dian)器無法進入EOC(結束充(chong)電(dian)(dian)(dian))狀態(tai)(tai)。如果ISYS超過電(dian)(dian)(dian)池滿(man)電(dian)(dian)(dian)量門限(xian)(IBF)，那么ICHG就(jiu)無法降(jiang)到低于IBF,充(chong)電(dian)(dian)(dian)狀態(tai)(tai)始終(zhong)顯示正在(zai)充(chong)電(dian)(dian)(dian)，即使電(dian)(dian)(dian)池已經(jing)具有(you)滿(man)電(dian)(dian)(dian)量。

　　電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)無法充(chong)滿。由于系統優先于電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)供電(dian)(dian)(dian)(dian)，因此(ci)(ci)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)只能(neng)以低電(dian)(dian)(dian)(dian)流進行充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)。此(ci)(ci)外，充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)器只能(neng)在預(yu)期的有效(xiao)充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)時間(jian)內工(gong)作，這樣可(ke)以避免給壞(huai)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)。如充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)時間(jian)超(chao)出此(ci)(ci)時間(jian)段(duan)，會(hui)導(dao)致充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)器誤判壞(huai)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)而停止充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)。

　　電源路徑自(zi)動(dong)選擇拓撲(pu)

　　電(dian)(dian)(dian)源路徑自動(dong)選(xuan)擇拓撲(pu)在電(dian)(dian)(dian)池直接搭載拓撲(pu)基礎上外加了兩個開(kai)關管，使得系統電(dian)(dian)(dian)源可以根據輸入電(dian)(dian)(dian)壓的變化(hua)在適配器和電(dian)(dian)(dian)池之(zhi)間來(lai)回(hui)切換(huan)。拓撲(pu)結構(gou)及工作波形(xing)如圖(tu)3所示(shi)。

　　

 

　　圖3:電源路徑(jing)自動選擇拓撲及工作波形。

　　與電池饋電拓撲結構相比，此拓撲有實質性的改進。它將系統直接跟交流適配器相連，與充電器獨立開來，因而能夠提供更大的系統電流、更高的效率并且允許系統在低電池電壓下工作。此外，其價格也比較低廉。然而，當適配器輸出電壓變化較大的時候，系統電壓也會隨之變化，所以此拓撲要求系統能夠接受比較寬的輸入電壓變化范圍。此外，也要求適配器具有更高的額定功率，以滿足系統和充電器的最大(da)總功率需求，以及系(xi)統(tong)負載突變時的功率變化要求。

　　圖(tu)(tu)4是采用MPS公司的MP2611構成(cheng)的電(dian)源路徑自動選擇拓撲(pu)的原理(li)圖(tu)(tu)。為了防止出現不穩定情況(kuang)，當VBATT接(jie)近VIN時，MP2611會(hui)斷開系(xi)統與(yu)電(dian)池的連(lian)接(jie)。此(ci)外，它(ta)還會(hui)在S1 (M1及M2)與(yu)S2(M3)之間插(cha)入一(yi)個消(xiao)隱期，以防出現電(dian)流貫通，從(cong)而損壞系(xi)統和電(dian)池。

　　

 

　　圖4:采用(yong)MP2611構(gou)成(cheng)的(de)電(dian)源路徑自(zi)動選(xuan)擇拓撲。

   動態電(dian)源路徑管理(li)拓(tuo)撲(pu)(DPPM)

 

　　動態電(dian)(dian)源(yuan)路徑管理(DPPM)技術采用了一套附(fu)加的檢(jian)測模(mo)塊，測量系統電(dian)(dian)壓或(huo)者輸入電(dian)(dian)流，實(shi)時監測總功(gong)率(lv)需(xu)求。一旦(dan)功(gong)率(lv)需(xu)求超過(guo)(guo)(guo)預設值(zhi)，通過(guo)(guo)(guo)充電(dian)(dian)器降(jiang)低充電(dian)(dian)電(dian)(dian)流來保證適配器輸出功(gong)率(lv)恒定而不過(guo)(guo)(guo)載。

　　例(li)如，基(ji)于輸(shu)入電(dian)壓(ya)的(de)DPPM(圖5)通過(guo)比(bi)較輸(shu)入電(dian)壓(ya)與預(yu)設(she)參(can)考(kao)電(dian)壓(ya)來(lai)判斷輸(shu)入電(dian)流(liu)是否達到適(shi)(shi)(shi)配(pei)(pei)器(qi)(qi)的(de)輸(shu)出電(dian)流(liu)限制。若(ruo)適(shi)(shi)(shi)配(pei)(pei)器(qi)(qi)電(dian)流(liu)已經達到該(gai)限制，適(shi)(shi)(shi)配(pei)(pei)器(qi)(qi)電(dian)壓(ya)將降(jiang)至(zhi)預(yu)設(she)參(can)考(kao)電(dian)壓(ya)，然后充(chong)電(dian)器(qi)(qi)通過(guo)動態降(jiang)低充(chong)電(dian)電(dian)流(liu)來(lai)防止(zhi)系統電(dian)壓(ya)繼(ji)續下(xia)降(jiang)。只要輸(shu)入電(dian)流(liu)保持在該(gai)限制的(de)水(shui)平或者低于該(gai)限制，就仍然有電(dian)流(liu)向電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)。然而，由系統電(dian)壓(ya)下(xia)降(jiang)引起的(de)不穩定或噪(zao)聲使得這種基(ji)于電(dian)壓(ya)的(de)DPPM結(jie)構不適(shi)(shi)(shi)合應用在某些對噪(zao)聲敏感的(de)場合，比(bi)如音頻設(she)備。

　　

 

　　圖5:基(ji)于輸入(ru)電(dian)壓的(de)動態(tai)電(dian)源路徑(jing)管理(li)。

　　基于輸(shu)入(ru)(ru)電(dian)流的(de)(de)DPPM(圖6)采用(yong)檢測電(dian)阻(zu)來(lai)評估輸(shu)入(ru)(ru)電(dian)流，當輸(shu)入(ru)(ru)電(dian)流達到預設電(dian)流門限時，通過動態降(jiang)低電(dian)池(chi)電(dian)流來(lai)防止適(shi)配器(qi)過載或(huo)系(xi)統電(dian)壓下(xia)降(jiang)。這樣就(jiu)保證(zheng)了(le)系(xi)統電(dian)壓的(de)(de)穩定，降(jiang)低了(le)適(shi)配器(qi)的(de)(de)額外(wai)功率要(yao)求。同(tong)時，該拓撲還具備(bei)電(dian)池(chi)反向補充供電(dian)的(de)(de)能力。

　　

 

　　圖6:基于(yu)輸入電流的動態電源路徑(jing)管(guan)理。

　　有些充電器(例如MPS公司的MP2607)可以根據不同電源要求，優化選擇不同的動態電源路徑管理方案。MP2607根據不同的適配器類型，在基于輸入電壓和基于輸入電流的DPPM兩種拓撲之間進行智能選擇。若輸入是交流適配器，MP2607采用基于輸入電壓的DPPM技術，控制適配器交流電壓，使得交流適配器可以同時為系統供電和為電池充電，工作波(bo)形如圖(tu)7所示。

　　

 

　　圖7:MP2607在(zai)交流適配(pei)器(qi)輸入(ru)時的動(dong)態電源路徑管理(li)。

　　在(zai)USB輸入模式下，MP2607采用(yong)基于輸入電(dian)流(liu)(liu)的DPPM.如圖8所示，考慮到USB提(ti)供(gong)電(dian)流(liu)(liu)能(neng)力有限(xian)，設置充電(dian)電(dian)流(liu)(liu)在(zai)USB限(xian)制(zhi)電(dian)流(liu)(liu)以(yi)下。若系統負載電(dian)流(liu)(liu)大于USB限(xian)流(liu)(liu)值，電(dian)池將反向補充供(gong)電(dian)。

　　

 

　　圖8:MP2607在USB輸入時(shi)的動(dong)態電源路徑管(guan)理。

　　總之，具有動態電源路徑管理的充電器(尤其是那些能在(zai)不同管理模式(shi)之間切換的充電(dian)器)可以為(wei)移(yi)動電(dian)子設(she)備提供更加(jia)精妙的電(dian)源解決方(fang)案，從而給用戶帶來(lai)前所未有的便利(li)、性能和效率。