应用笔记 4181

简化1节Li+电池供电设备的设计

By: Mehdy Khotan

摘要 : MAX8671X电源管理IC (PMIC)能够为便携系统设计提供锂电池充电及电源稳压,该器件可利用USB端口或外部AC-DC电源适配器作为输入电源为锂离子(Li+)、锂聚合物(Li-Poly)电池充电。PMIC还集成了许多电源管理功能,其中包括:用于USB和直流输入的过压保护电源开关、5路独立的片上稳压器用于系统供电。

目前,任何便携电子系统都要求低成本、小尺寸、轻便。为板上子系统设计电池充电及供电电路时,采用MAX8671X电源管理IC (PMIC)可以方便地实现上述功能。器件可以从USB口或外部交流适配器获取电源,为锂离子(Li+)或锂聚合物(Li-Poly)电池充电。除了充电功能外,PMIC内部还集成了用于USB和直流输入的过压保护开关,5路独立的片上稳压器用于系统供电。这一组合大大减少了电路板的外部元件数量(图1),从而使该款器件成为智能电话、PDA、便携式多媒体播放器、GPS导航设备、数码相机、数字摄像机等便携产品的理想选择。

图1. MAX8671X评估板照片,为典型应用提供了一个紧凑的PCB布局
图1. MAX8671X评估板照片,为典型应用提供了一个紧凑的PCB布局

因为MAX8671X无缝管理USB和交流适配器电源,使得制造商能够省去AC-DC墙上适配器充电零配件,从而节省了零配件的相关尺寸和重量,成本也随之降低。产品在出厂时可以只配备一条USB电缆,以便由计算机的USB口充电,电缆还可以用来同步或传输数据,交流适配器则可以是一个售后可选配件。

MAX8671X集成了众多功能:电池充电器、适配器-USB-电池开关、系统电压调节以及各种检测功能。这些功能如图2所示,使得这款PMIC成为不同应用的理想选择。5路独立的集成稳压器(3路2MHz开关降压型调节器,效率高达96%;2路低静态电流的线性稳压器)可以为多个子系统提供高效供电。

图2. MAX8671X PMIC内部集成了5路独立的稳压器以及电池充电功能、电源选择开关,输入电源可由交流适配器或USB电缆提供
图2. MAX8671X PMIC内部集成了5路独立的稳压器以及电池充电功能、电源选择开关,输入电源可由交流适配器或USB电缆提供

高度集成减少电源切换造成的混乱

MAX8671X PMIC集成了DC/USB输入过压保护、单节Li+电池充电器以及电池和外部电源之间负载切换所需的功率开关。集成开关和调节器可以省去外部MOSFET以及杂乱的电压检测器、电流检测电阻、比较器、定时器以及其它常见的用于电源监测和切换的分立元件。由此可以减少外部元器件数目和电路板空间,从而降低系统成本,得到一个更加紧凑的系统。

MAX8671X的智能电源选择器(Smart Power Selector™)能够在外部输入、电池和系统负载之间无缝切换(见图3),选择器操作如下:
  1. 当两个外部电源(USB或交流适配器)与电池连接时,如果系统(SYS)负载电流小于输入电流的限制,输入电源在保证系统供电的前提下为电池充电。如果系统负载超过了输入电流限制,电池可以补充SYS负载电流(ISYS)供电不足的部分,避免出现复位。
  2. 如果系统只连接了电池,没有连接外部电源,系统由电池供电。
  3. 如果连接了外部电源,没有连接电池,系统将由外部输入电源供电。
图3. 智能电源选择器控制功率开关MOSFET (Q3),用作负载开关和充电开关
图3. 智能电源选择器控制功率开关MOSFET (Q3),用作负载开关和充电开关

某些情况下,适配器或USB所能提供的电流可能不足以支持系统的峰值负载。为了解决这个问题,当系统负载峰值超出所选择的输入电流限制或在DC或USB输入端没有连接电源时,集成的低RDSON MOSFET在内部将电池连接到SYS引脚,有电池为负载供电。如果系统负载连续超出输入电流的限制,即使连接了外部电源也不会给电池充电。通常情况下,只在峰值负载瞬间才会发生重载情况,大部分设计中这种情况不会存在太久。出现峰值负载期间,电池将给系统供电;其它时间,电池充电。

除了给电池充电,MAX8671X通过SYS输出和多个内部稳压器给系统供电。IC的充电电流同样取自SYS节点。当然,输入电流门限控制了总体SYS电流(比如,ISYS和电池充电电流之和)。

SYS可由DC或USB输入引脚供电(如果没有连接外部电源时则由电池供电)。如果DC和USB都连接了电源,优先选择DC输入供电。设计人员可以选择USB和交流适配器作为MAX8671X的输入电源,也可以选择两者之一供电。逻辑输入PEN1和PEN2用来选择双输入、单输入的正确限流。DC输入电流门限可调至1A,DC和USB输入都支持100mA、500mA和USB挂起模式。

合理设计稳压器以延长电池使用寿命

MAX8671X内部的5路高效稳压器都具有低功耗特性,可有效延长电池使用寿命。除了重载情况下保持高效外,稳压器在轻负载时也可以保持较高效率。从而进一步提高电池寿命,因为子系统工作时可能有几百毫安的峰值负载,而大部分时间的负载电流远远低于这一数值。在这样一个系统中,针对平时较低的负载电流进行优化,而不是优化在最高负载,有助于进一步延长电池使用寿命。

很多便携式系统多数时间处于“睡眠”状态。如果稳压器只是在满负荷时具有高效(> 90%),而在空闲模式下效率较低(< 60%),这种稳压器可能会很快耗尽电池能量。MAX8671X稳压器有效解决了这一问题,在重载(可为系统负载提供最大425mA)下效率可达96%,当负载电流只有1mA时仍可保持高达85%的效率。

3路可调节开关稳压器(REG1、REG2和REG3)均可提供最大425mA的电流,开关频率为2MHz,大大减小了外部电感和电容尺寸的要求。由外部电阻设定每路稳压器的输出电压。

其余2路稳压器(REG4和REG5)为低压差(LDO)线性稳压器,可提供最大150mA电流。REG5为系统的USB收发器供电,只有在连接USB电源的情况下才工作。REG4在没有DC或USB电源的情况下由电池供电。这两个LDO有助于延长电池寿命,为系统设计人员提供了灵活性。由于它们可以接受较宽的输入电压范围(1.7V至5.5V),可进一步降低功耗。最小1.7V的输入电压使这些LDO可以从某个降压型DC-DC转换器的输出(而不是直接由电池)供电。

内部电池充电器管理

PMIC的双输入充电器部分可以接受USB电源或交流适配器供电。由于集成了智能电源选择技术和用于管理充电过程的状态控制逻辑,能够完成所有电源控制和充电功能,图4为充电曲线。为了支持各种不同的电池容量,充电电流最大可调节至1A。

图4. 内部状态控制管理Li+电池的充电过程,并提供电池安全充电的电压和电流
图4. 内部状态控制管理Li+电池的充电过程,并提供电池安全充电的电压和电流

充电器使能后,电池在有效的DC和/或USB输入下开启一次充电周期。首先检查电池电压,确定电池是否处于深度放电(电压低于预设阈值3.0V)。如果电池处于深度放电,充电器将进入安全预充模式,电池以快充电流的1/10充电。一旦电池电压超过3.0V,充电器将进入快充模式,以设定的电流为电池充电。

随着充电的继续,电池电压上升到电池的满充电压(通过BVSET引脚选择),此时,充电电流开始逐渐下降。当充电电流下降至所设定的快充电流的4%时,充电器进入短暂的浮充模式,然后终止充电。充电停止后,如果电池电压随后下降到电池满充电压以下120mV,将重新开始充电,定时器复位。这可以保证电池在任何时间都维持或在接近满充状态,而且不会出现过充。

充电速度由下面几个因素决定:电池电压、USB/DC输入电流限制、充电电流设置电阻(RCISET)、ISYS以及管芯温度。MAX8671X为了防止输入过载和过热,可自动将充电电流降至某个低于所设置的充电速率的数值。

从USB端取电

MAX8671X的USB引脚为限流电源输入,为SYS端提供最大500mA的电流。连接USB和SYS的限流开关也是一个工作在降压模式的线性稳压器,即使在USB输入发生故障达到14V的情况下,这个线性稳压器也能防止SYS电压超出5.3V。

USB引脚在应用中通常连接到USB口的VBUS线。它通过第二个电源使能(PEN2)和USB挂起(USUS)数字控制输入支持USB规范的限流设置,可以设置在三种电流限的一种。对于低功率USB模式,限流为100mA;对于大功率USB模式,限流为500mA;对于USB挂起和未配置的On-the-Go (OTG)模式,限流为0.11mA (典型值)。

当USB输入电压低于欠压门限(VUSBL:4V,典型值)或低于电池电压时,认为输入电源失效,将被关闭。同样,如果USB输入电压高于过压门限(VUSBH:6.9V,典型值)时,也被关闭。

为了满足高速USB规范,每个连接设备都必须在内部配置为低功率模式。USB枚举过后,如果得到USB主机的容许,设备可以从低功率切换到高功率。MAX8671X不进行枚举,但它依靠系统与USB主机进行通信。主机会决定正确的电流限制,并通过PEN1、PEN2和USUS输入发送命令。

内部热管理

MAX8671X包含热管理功能,即使在散热条件不理想的小型手持设备中也能够避免过热。当管芯温度超过+100°C时,它会按照5%/°C降低输入电流。任何情况下,ISYS的供电优先级高于充电电流,所以,降低输入电流时首先降低的是充电电流。如果充电电流降低后,结温仍然达到+120°C,则不再从输入电源吸取电流,由电池为系统负载供电。片内温度限制电路与热敏电阻输入(THM)无关,工作过程也相互独立,THM输入一般使用外部热敏电阻监测电池温度(典型应用)。

完整的PMIC

除了集成电池供电设备所需的关键电源管理功能—充电、电源切换以及系统稳压器等,MAX8671X还减少了这些设计中常见的分立元件。内部温度调节电路、过压保护、充电状态及故障指示输出、电源就绪监测、电池热敏电阻监测以及充电定时器等功能,大大降低了对外围逻辑电路和开关元件的需求,降低系统成本。更重要的是,它还节省了设计时间。因为Maxim的集成硬件方案意味着系统软件不会影响充电或电源管理电路,因此也大大提升了系统和电池的安全性和可靠性。

MAX8671X采用增强散热、节省空间的5mm x 5mm、40引脚TQFN封装,能够满足目前大多数空间受限便携产品的要求。另外,该款PMIC可以工作在扩展级温度范围(-40°C至+85°C),可理想用于绝大多数工业应用。

类似文章发表于2007年10月EDN电源增刊

相关型号
MAX8671X 免费样品
下一步
EE-Mail 订阅EE-Mail,接收关于您感兴趣的新文档的自动通知。
© , Maxim Integrated Products, Inc.
The content on this webpage is protected by copyright laws of the United States and of foreign countries. For requests to copy this content, contact us.
APP 4181:
应用笔记 4181,AN4181, AN 4181, APP4181, Appnote4181, Appnote 4181