鋰(li)離(li)子(Li-ion)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)和(he)(he)(he)鋰(li)聚(ju)合(he)物(Li-po)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)最適合(he)當前(qian)市場對功率(lv)密度、充電(dian)(dian)(dian)能(neng)力(li)和(he)(he)(he)價格(ge)的(de)(de)要求。但是，有別于(yu)鉛酸、鎳氫等其(qi)他流行的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)技術，鋰(li)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)技術的(de)(de)性(xing)能(neng)也最不(bu)穩定：鋰(li)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)充放電(dian)(dian)(dian)若管理(li)不(bu)善，將導致(zhi)充電(dian)(dian)(dian)時(shi)間長、耗(hao)散功率(lv)高(gao)、效率(lv)低(di)(di)和(he)(he)(he)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)壽命比平均壽命低(di)(di)等問(wen)題(ti)。圖1顯示了典型(xing)鋰(li)離(li)子電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)的(de)(de)充電(dian)(dian)(dian)曲線(xian)。

　　傳統充電器相對簡(jian)單(dan)，這些充(chong)電(dian)器在小功率(lv)應(ying)用(yong)(yong)中表現較好。然(ran)而，它們卻不(bu)(bu)能有效地適(shi)應(ying)充(chong)電(dian)曲(qu)線的變化，比如，用(yong)(yong)戶在不(bu)(bu)同電(dian)源之(zhi)間切(qie)換或者在充(chong)電(dian)期間操作設備。另外(wai)，傳統充(chong)電(dian)器在大(da)功率(lv)和(he)大(da)電(dian)流應(ying)用(yong)(yong)中，通常效率(lv)較低，耗散(san)功率(lv)較大(da)。

　　

 

　　圖1:典型鋰離子電池的充電曲線。

　　新型線性和開關充電器，比如(ru)芯源(yuan)系(xi)統(tong)(MPS)公(gong)司的(de)MP2600系(xi)列，采(cai)用電(dian)源(yuan)路徑管理技術改變了充電(dian)曲(qu)線，從而(er)能夠(gou)以更(geng)低(di)的(de)耗散功率(lv)更(geng)加高效(xiao)地為電(dian)池/系(xi)統(tong)供電(dian)。同時，這些(xie)充電(dian)器也使系(xi)統(tong)的(de)安全性和電(dian)池的(de)使用壽命得到(dao)提高。

　　電(dian)源管理(li)拓(tuo)撲種類繁多，本文(wen)則重點介紹以下三種：電(dian)池饋電(dian)、自動選擇和動態電(dian)源路徑。

　　電池饋電拓撲

　　電(dian)池饋電(dian)拓(tuo)撲(pu)是一種實現過程最簡單、成(cheng)本最低(di)的拓(tuo)撲(pu)，這是因為其電(dian)路由充電(dian)器、電(dian)池和系(xi)統組成(cheng)，如(ru)圖2所示。

　　

 

　　圖(tu)2:電池饋電拓撲原理圖(tu)及信號圖(tu)。

　　這(zhe)種拓撲(pu)有三(san)個主要特性：無論供電電壓(ya)如(ru)何(he)變(bian)化(hua)，系(xi)統(tong)電壓(ya)始(shi)終(zhong)等于電池電壓(ya)，電源系(xi)統(tong)始(shi)終(zhong)優(you)先，以(yi)便IBATT ￡ ICHG,并(bing)且ICHG最(zui)(zui)(zui)終(zhong)限制由輸(shu)入電源提供給(gei)系(xi)統(tong)電源總線的最(zui)(zui)(zui)大功率(lv)。當(dang)系(xi)統(tong)與充電器(qi)斷開時該拓撲(pu)還(huan)可以(yi)實現(xian)最(zui)(zui)(zui)小的耗散功率(lv)，設置ICHG從(cong)根本上限定了總輸(shu)入電流，這(zhe)樣，隨著系(xi)統(tong)電流(ISYS)的增加(jia)，充電電流(IBATT)將等額下降，工作波形如(ru)圖(tu)2所(suo)示。

　　遺憾的是，這種拓(tuo)撲(pu)有如(ru)下不足之處，從(cong)而(er)限制(zhi)了它在(zai)更(geng)廣應用領域的效(xiao)率(lv)和效(xiao)用：

　　在電(dian)(dian)池(chi)(chi)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)太低的(de)(de)情(qing)況下，系(xi)統(tong)無法(fa)工(gong)作。電(dian)(dian)池(chi)(chi)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)跌至(zhi)涓流充(chong)(chong)電(dian)(dian)門限以下時，充(chong)(chong)電(dian)(dian)器將把(ba)總的(de)(de)輸出電(dian)(dian)流限制得很低。系(xi)統(tong)的(de)(de)額外電(dian)(dian)源需(xu)求將由電(dian)(dian)池(chi)(chi)來補充(chong)(chong)，從而導致電(dian)(dian)池(chi)(chi)能量進一(yi)(yi)步耗盡。由于系(xi)統(tong)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)始終等于電(dian)(dian)池(chi)(chi)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)，一(yi)(yi)旦電(dian)(dian)池(chi)(chi)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)低到系(xi)統(tong)最低工(gong)作電(dian)(dian)壓(ya)(ya)以下，系(xi)統(tong)將停止工(gong)作。

　　雖然(ran)電(dian)池已(yi)具有滿電(dian)量，但是(shi)充(chong)電(dian)器無(wu)(wu)法(fa)進(jin)入EOC(結束充(chong)電(dian))狀態。如(ru)果ISYS超過電(dian)池滿電(dian)量門(men)限(xian)(IBF)，那么ICHG就無(wu)(wu)法(fa)降到(dao)低于IBF,充(chong)電(dian)狀態始終(zhong)顯示正在充(chong)電(dian)，即使電(dian)池已(yi)經具有滿電(dian)量。

　　電池無(wu)法(fa)充(chong)滿(man)。由于系統優先于電池供電，因(yin)此電池只(zhi)能以低電流進行充(chong)電。此外，充(chong)電器只(zhi)能在預(yu)期(qi)的有效充(chong)電時間(jian)內工(gong)作，這樣(yang)可以避免給壞電池充(chong)電。如充(chong)電時間(jian)超(chao)出此時間(jian)段，會(hui)導致充(chong)電器誤(wu)判壞電池而停止充(chong)電。

　　電源(yuan)路徑自動(dong)選擇拓撲

　　電(dian)(dian)(dian)源(yuan)路(lu)徑自動選擇拓(tuo)撲在電(dian)(dian)(dian)池直接搭(da)載拓(tuo)撲基礎上(shang)外加了兩個開關(guan)管，使得(de)系統電(dian)(dian)(dian)源(yuan)可(ke)以根據輸入電(dian)(dian)(dian)壓的變化在適配器和電(dian)(dian)(dian)池之(zhi)間來回切換。拓(tuo)撲結構及工(gong)作(zuo)波形如圖3所示。

　　

 

　　圖3:電源路(lu)徑自(zi)動(dong)選(xuan)擇拓撲(pu)及工作(zuo)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(de)最大總功率需求(qiu)，以及系統負載突變(bian)時(shi)的(de)功率變(bian)化(hua)要求(qiu)。

　　圖4是采用MPS公司(si)的MP2611構成的電(dian)(dian)源路(lu)徑(jing)自(zi)動選擇拓撲的原理(li)圖。為了(le)防止出(chu)現(xian)不(bu)穩定情況，當VBATT接(jie)近VIN時，MP2611會(hui)斷開(kai)系(xi)統與電(dian)(dian)池的連接(jie)。此外，它(ta)還會(hui)在S1 (M1及M2)與S2(M3)之間插(cha)入一個消隱期(qi)，以防出(chu)現(xian)電(dian)(dian)流貫通，從而(er)損壞系(xi)統和電(dian)(dian)池。

　　

 

　　圖4:采用MP2611構成(cheng)的電源(yuan)路(lu)徑自(zi)動選擇拓撲。

   動態電源路徑(jing)管理拓撲(pu)(DPPM)

 

　　動態(tai)電(dian)(dian)源路徑管理(DPPM)技術采用了一套附加的(de)檢測(ce)(ce)模(mo)塊，測(ce)(ce)量系(xi)統電(dian)(dian)壓或者輸入(ru)電(dian)(dian)流(liu)，實時(shi)監(jian)測(ce)(ce)總功率需求。一旦功率需求超(chao)過(guo)預設值，通(tong)過(guo)充(chong)電(dian)(dian)器降(jiang)低充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流(liu)來保(bao)證適(shi)配器輸出功率恒定(ding)而不過(guo)載。

　　例如，基于輸(shu)入(ru)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)的(de)(de)DPPM(圖5)通(tong)過比較輸(shu)入(ru)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)與(yu)預設(she)(she)參考電(dian)(dian)壓(ya)(ya)來(lai)判斷輸(shu)入(ru)電(dian)(dian)流(liu)(liu)是(shi)否達(da)到適(shi)配(pei)器(qi)(qi)的(de)(de)輸(shu)出電(dian)(dian)流(liu)(liu)限(xian)制(zhi)(zhi)。若適(shi)配(pei)器(qi)(qi)電(dian)(dian)流(liu)(liu)已經達(da)到該限(xian)制(zhi)(zhi)，適(shi)配(pei)器(qi)(qi)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)將降(jiang)至預設(she)(she)參考電(dian)(dian)壓(ya)(ya)，然(ran)后充(chong)電(dian)(dian)器(qi)(qi)通(tong)過動態降(jiang)低(di)充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流(liu)(liu)來(lai)防止系統(tong)(tong)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)繼續下降(jiang)。只要(yao)輸(shu)入(ru)電(dian)(dian)流(liu)(liu)保持在該限(xian)制(zhi)(zhi)的(de)(de)水平或者低(di)于該限(xian)制(zhi)(zhi)，就仍然(ran)有電(dian)(dian)流(liu)(liu)向電(dian)(dian)池充(chong)電(dian)(dian)。然(ran)而，由系統(tong)(tong)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)下降(jiang)引起的(de)(de)不(bu)穩定或噪(zao)聲使得這(zhe)種基于電(dian)(dian)壓(ya)(ya)的(de)(de)DPPM結(jie)構不(bu)適(shi)合應用在某些對噪(zao)聲敏(min)感的(de)(de)場合，比如音頻設(she)(she)備。

　　

 

　　圖5:基于輸入電(dian)壓(ya)的動態電(dian)源路徑管理。

　　基于(yu)輸入(ru)電(dian)流(liu)(liu)的DPPM(圖6)采用檢測電(dian)阻來(lai)評估輸入(ru)電(dian)流(liu)(liu)，當輸入(ru)電(dian)流(liu)(liu)達到預設(she)電(dian)流(liu)(liu)門限時，通過動態(tai)降(jiang)低電(dian)池電(dian)流(liu)(liu)來(lai)防止適(shi)(shi)配(pei)器過載(zai)或系(xi)統電(dian)壓(ya)下(xia)降(jiang)。這樣(yang)就(jiu)保證(zheng)了(le)系(xi)統電(dian)壓(ya)的穩定(ding)，降(jiang)低了(le)適(shi)(shi)配(pei)器的額外(wai)功率(lv)要求。同時，該拓撲還具備(bei)電(dian)池反向補充供(gong)電(dian)的能力。

　　

 

　　圖6:基于輸入電流的動態電源路徑管理。

　　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，工作波形如圖(tu)7所(suo)示。

　　

 

　　圖7:MP2607在交(jiao)流適配器輸入時(shi)的動態電源路徑管理。

　　在USB輸入(ru)模式下，MP2607采用基于(yu)輸入(ru)電流(liu)的DPPM.如圖8所示，考慮(lv)到USB提供電流(liu)能力(li)有限(xian)，設置充(chong)(chong)電電流(liu)在USB限(xian)制電流(liu)以(yi)下。若(ruo)系統負載電流(liu)大于(yu)USB限(xian)流(liu)值，電池將反向補充(chong)(chong)供電。

　　

 

　　圖8:MP2607在(zai)USB輸(shu)入時的(de)動態電源(yuan)路徑管理。

　　總之，具有動態電源路徑管理的充電器(尤其(qi)是那(nei)些能在不(bu)同(tong)管理模(mo)式之間切換的(de)充電(dian)器)可以為移(yi)動電(dian)子設備(bei)提供更加精妙的(de)電(dian)源解決方案，從而(er)給用戶帶來前(qian)所未有(you)的(de)便(bian)利、性能和效率。