隨著智能手(shou)機(ji)、平板電(dian)(dian)(dian)腦和攝像機(ji)等便攜設(she)備的(de)(de)不斷(duan)普及，人們(men)對電(dian)(dian)(dian)源的(de)(de)要(yao)求(qiu)以及對邊(bian)充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)邊(bian)使用這些(xie)設(she)備的(de)(de)能力(li)的(de)(de)要(yao)求(qiu)與日俱增。更高(gao)的(de)(de)功率(lv)要(yao)求(qiu)增加了對具有高(gao)功率(lv)密度和優異充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)能力(li)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)需求(qiu)。目前(qian)，鋰離子(zi)（Li-ion）電(dian)(dian)(dian)池(chi)和鋰聚合(he)物（Li-po）電(dian)(dian)(dian)池(chi)最適合(he)當前(qian)市場(chang)對功率(lv)密度、充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)能力(li)和價(jia)格的(de)(de)要(yao)求(qiu)。但是，有別于鉛酸、鎳氫等其他流行的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)池(chi)技(ji)術(shu)，鋰電(dian)(dian)(dian)池(chi)技(ji)術(shu)的(de)(de)性能也最不穩定：鋰電(dian)(dian)(dian)池(chi)充(chong)(chong)放電(dian)(dian)(dian)若管理不善，將導致充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)時(shi)間長、耗散功率(lv)高(gao)、效率(lv)低和電(dian)(dian)(dian)池(chi)壽命比平均壽命低等問題。圖1顯(xian)示了典型鋰離子(zi)電(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)曲線(xian)。

　　傳統充電器相對簡單，這些充(chong)(chong)電器在小功(gong)率應(ying)(ying)用中(zhong)表現較好。然而，它們卻不能(neng)有(you)效(xiao)地適應(ying)(ying)充(chong)(chong)電曲線的變化(hua)，比如，用戶(hu)在不同電源之間切(qie)換或(huo)者在充(chong)(chong)電期間操作設(she)備。另外，傳統(tong)充(chong)(chong)電器在大功(gong)率和大電流應(ying)(ying)用中(zhong)，通常效(xiao)率較低，耗散功(gong)率較大。

圖1:典型鋰離(li)子(zi)電池的(de)充電曲(qu)線。

　　新型線性和開關充電器，比如芯源系統（MPS）公司的MP2600系列，采用電源路徑管理技術改變了充電曲線，從而能夠以更低的耗散功率更加高效地為電池/系統供電。同時，這些充電器也使系統的安(an)全性和(he)電池的使用壽命(ming)得到提高。

　　電源管理拓(tuo)撲種(zhong)類繁多，本(ben)文則(ze)重點介(jie)紹以下三種(zhong)：電池饋(kui)電、自動選擇和動態電源路徑(jing)。

　　電池饋電拓撲

　　電池(chi)饋電拓撲(pu)是一種實(shi)現過程最簡單、成(cheng)(cheng)本最低(di)的拓撲(pu)，這(zhe)是因為其電路由充電器、電池(chi)和(he)系統組成(cheng)(cheng)，如圖2所示(shi)。

圖(tu)2:電池饋(kui)電拓撲原理圖(tu)及(ji)信號圖(tu)。

　　這種拓撲有(you)三個主要特性：無論供電(dian)(dian)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)如何變(bian)化，系(xi)(xi)統(tong)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)始(shi)終等(deng)于(yu)電(dian)(dian)池電(dian)(dian)壓(ya)(ya)，電(dian)(dian)源(yuan)系(xi)(xi)統(tong)始(shi)終優先，以便IBATT ￡ ICHG,并且ICHG最(zui)(zui)終限制由輸(shu)入電(dian)(dian)源(yuan)提供給系(xi)(xi)統(tong)電(dian)(dian)源(yuan)總線的(de)(de)最(zui)(zui)大功率。當系(xi)(xi)統(tong)與(yu)充電(dian)(dian)器斷開時該拓撲還(huan)可(ke)以實現最(zui)(zui)小的(de)(de)耗(hao)散(san)功率，設置ICHG從(cong)根本(ben)上限定了總輸(shu)入電(dian)(dian)流，這樣，隨著(zhu)系(xi)(xi)統(tong)電(dian)(dian)流（ISYS）的(de)(de)增加，充電(dian)(dian)電(dian)(dian)流（IBATT）將等(deng)額下(xia)降，工作波形如圖2所示。

　　遺憾(han)的是(shi)，這(zhe)種拓撲(pu)有如(ru)下(xia)不足之處，從而限制(zhi)了它在更廣應用(yong)(yong)領域的效率和效用(yong)(yong)：

　　在(zai)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓太(tai)低的情況下，系統無法工作。電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓跌至涓流充電(dian)(dian)(dian)(dian)門(men)限以下時，充電(dian)(dian)(dian)(dian)器將把總的輸(shu)出電(dian)(dian)(dian)(dian)流限制得很低。系統的額外電(dian)(dian)(dian)(dian)源需求將由電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)來補充，從而導致(zhi)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)能(neng)量進(jin)一步(bu)耗盡。由于(yu)系統電(dian)(dian)(dian)(dian)壓始終等于(yu)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓，一旦電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓低到(dao)系統最低工作電(dian)(dian)(dian)(dian)壓以下，系統將停止工作。

　　雖(sui)然(ran)電(dian)池(chi)已(yi)具有滿電(dian)量，但是充電(dian)器無法進入EOC（結束充電(dian)）狀態(tai)。如果ISYS超過(guo)電(dian)池(chi)滿電(dian)量門(men)限（IBF），那么ICHG就無法降到(dao)低于IBF,充電(dian)狀態(tai)始終顯示正在充電(dian)，即(ji)使電(dian)池(chi)已(yi)經具有滿電(dian)量。

　　電(dian)池(chi)無(wu)法充(chong)滿。由于系統優先于電(dian)池(chi)供電(dian)，因(yin)此電(dian)池(chi)只能(neng)以低電(dian)流進行充(chong)電(dian)。此外(wai)，充(chong)電(dian)器(qi)只能(neng)在(zai)預期的有效充(chong)電(dian)時間(jian)(jian)內(nei)工作，這樣可以避免給壞電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)。如(ru)充(chong)電(dian)時間(jian)(jian)超出此時間(jian)(jian)段(duan)，會導致充(chong)電(dian)器(qi)誤判壞電(dian)池(chi)而停止充(chong)電(dian)。

電源路(lu)徑自動選擇拓撲

　　電(dian)源路徑自動選擇拓(tuo)撲在(zai)電(dian)池(chi)直接搭載拓(tuo)撲基礎上(shang)外加(jia)了兩個(ge)開關管(guan)，使得(de)系統電(dian)源可以(yi)根據輸(shu)入電(dian)壓的變化在(zai)適(shi)配(pei)器和電(dian)池(chi)之間來回(hui)切換。拓(tuo)撲結構(gou)及工作波形如圖(tu)3所示。

圖3:電源(yuan)路徑自動選(xuan)擇拓撲及工作(zuo)波形。

　　與(yu)電(dian)池(chi)(chi)饋電(dian)拓撲結構相比，此(ci)拓撲有實質(zhi)性的(de)(de)(de)(de)(de)改(gai)進。它將系(xi)(xi)統直接(jie)跟(gen)交流適配器(qi)相連，與(yu)充(chong)電(dian)器(qi)獨(du)立開來，因而(er)能夠提供更大的(de)(de)(de)(de)(de)系(xi)(xi)統電(dian)流、更高的(de)(de)(de)(de)(de)效率(lv)并且允許系(xi)(xi)統在低(di)電(dian)池(chi)(chi)電(dian)壓(ya)(ya)下(xia)工作。此(ci)外(wai)，其價格也比較(jiao)低(di)廉。然而(er)，當適配器(qi)輸出電(dian)壓(ya)(ya)變(bian)(bian)(bian)(bian)化較(jiao)大的(de)(de)(de)(de)(de)時候，系(xi)(xi)統電(dian)壓(ya)(ya)也會隨之(zhi)變(bian)(bian)(bian)(bian)化，所以(yi)此(ci)拓撲要求(qiu)系(xi)(xi)統能夠接(jie)受比較(jiao)寬的(de)(de)(de)(de)(de)輸入電(dian)壓(ya)(ya)變(bian)(bian)(bian)(bian)化范(fan)圍(wei)。此(ci)外(wai)，也要求(qiu)適配器(qi)具(ju)有更高的(de)(de)(de)(de)(de)額定功率(lv)，以(yi)滿足(zu)系(xi)(xi)統和充(chong)電(dian)器(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)最大總(zong)功率(lv)需(xu)求(qiu)，以(yi)及(ji)系(xi)(xi)統負載突(tu)變(bian)(bian)(bian)(bian)時的(de)(de)(de)(de)(de)功率(lv)變(bian)(bian)(bian)(bian)化要求(qiu)。

　　圖4是采用(yong)MPS公司的MP2611構(gou)成的電(dian)(dian)源路徑自(zi)動選擇拓撲的原理圖。為了(le)防止出現(xian)不(bu)穩定情況，當VBATT接近(jin)VIN時，MP2611會(hui)斷開系(xi)統(tong)與(yu)電(dian)(dian)池的連接。此(ci)外，它(ta)還會(hui)在(zai)S1 （M1及M2）與(yu)S2（M3）之(zhi)間插入一個消隱期(qi)，以(yi)防出現(xian)電(dian)(dian)流(liu)貫(guan)通(tong)，從(cong)而損壞系(xi)統(tong)和電(dian)(dian)池。

圖4:采用MP2611構(gou)成的(de)電源路徑自動(dong)選擇拓撲。

　　動(dong)態電(dian)源路(lu)徑管理(li)拓撲（DPPM）

　　動態電(dian)源路(lu)徑管理（DPPM）技術(shu)采(cai)用(yong)了一套附加(jia)的檢測(ce)(ce)模塊(kuai)，測(ce)(ce)量系統電(dian)壓(ya)或者輸(shu)入電(dian)流，實時監測(ce)(ce)總(zong)功(gong)率(lv)需(xu)求(qiu)。一旦功(gong)率(lv)需(xu)求(qiu)超過(guo)預設值，通(tong)過(guo)充電(dian)器降低(di)充電(dian)電(dian)流來保證適配器輸(shu)出功(gong)率(lv)恒定而不(bu)過(guo)載。

　　例如，基于輸入電壓的DPPM（圖5）通過比較輸入電壓與預設參考電壓來判斷輸入電流是否達到適配器的輸出電流限制。若適配器電流已經達到該限制，適配器電壓將降至預設參考電壓，然后充電器通過動態(tai)降低充電(dian)(dian)電(dian)(dian)流(liu)來防止系統電(dian)(dian)壓(ya)繼續(xu)下降。只要輸入電(dian)(dian)流(liu)保持在該(gai)限制(zhi)(zhi)的水平或者低于該(gai)限制(zhi)(zhi)，就仍然有電(dian)(dian)流(liu)向電(dian)(dian)池充電(dian)(dian)。然而，由系統電(dian)(dian)壓(ya)下降引(yin)起(qi)的不(bu)穩(wen)定或噪聲(sheng)使(shi)得這種(zhong)基于電(dian)(dian)壓(ya)的DPPM結構(gou)不(bu)適合應用在某些對(dui)噪聲(sheng)敏感的場合，比如音(yin)頻設(she)備。

圖5:基于輸入電(dian)壓(ya)的動態電(dian)源路徑管理(li)。

基于輸(shu)入電(dian)(dian)流(liu)的DPPM（圖6）采(cai)用檢測電(dian)(dian)阻(zu)來評(ping)估(gu)輸(shu)入電(dian)(dian)流(liu)，當(dang)輸(shu)入電(dian)(dian)流(liu)達到預(yu)設電(dian)(dian)流(liu)門限時(shi)，通過動態降低電(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)流(liu)來防止適配器過載或系統電(dian)(dian)壓下降。這樣就(jiu)保證了系統電(dian)(dian)壓的穩定，降低了適配器的額外功率(lv)要(yao)求。同時(shi)，該拓撲(pu)還(huan)具備電(dian)(dian)池(chi)反(fan)向補充供電(dian)(dian)的能力。

圖6:基于輸入(ru)電流的(de)動態電源路徑管理(li)。

　　有些充電(dian)(dian)器（例(li)如(ru)MPS公(gong)司(si)的MP2607）可以根據不同電(dian)(dian)源(yuan)要求，優化選(xuan)擇不同的動態電(dian)(dian)源(yuan)路徑管理方案。MP2607根據不同的適(shi)配(pei)器類型(xing)，在基(ji)(ji)于(yu)輸入(ru)電(dian)(dian)壓(ya)和基(ji)(ji)于(yu)輸入(ru)電(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)(liu)的DPPM兩種拓撲之間進行智能選(xuan)擇。若(ruo)輸入(ru)是交(jiao)流(liu)(liu)(liu)(liu)適(shi)配(pei)器，MP2607采用基(ji)(ji)于(yu)輸入(ru)電(dian)(dian)壓(ya)的DPPM技(ji)術(shu)，控制適(shi)配(pei)器交(jiao)流(liu)(liu)(liu)(liu)電(dian)(dian)壓(ya)，使得交(jiao)流(liu)(liu)(liu)(liu)適(shi)配(pei)器可以同時為系統供電(dian)(dian)和為電(dian)(dian)池充電(dian)(dian)，工作波形如(ru)圖7所示。

圖7:MP2607在交(jiao)流適(shi)配(pei)器輸入時的動態(tai)電源路徑(jing)管理。

　　在USB輸入(ru)模式下(xia)，MP2607采用基于(yu)輸入(ru)電(dian)(dian)流(liu)(liu)的DPPM.如圖8所示，考慮(lv)到USB提供電(dian)(dian)流(liu)(liu)能力有限，設置充電(dian)(dian)電(dian)(dian)流(liu)(liu)在USB限制電(dian)(dian)流(liu)(liu)以下(xia)。若系統負(fu)載電(dian)(dian)流(liu)(liu)大于(yu)USB限流(liu)(liu)值，電(dian)(dian)池將反向(xiang)補充供電(dian)(dian)。

圖8:MP2607在USB輸入(ru)時的(de)動態電源路徑管理。

　　總之，具有動態電源路徑管理的充電器（尤其是(shi)那些(xie)能在不同(tong)管(guan)理模式之(zhi)間切換(huan)的充電器）可以為移動電子設備提供更加精(jing)妙的電源解決方(fang)案，從而給用戶帶(dai)來前所(suo)未有的便利、性(xing)能和效率。