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