圖1：傳統(tǒng)的多電池充電器解決方案

 

這些分立的組件導致了復雜的設(shè)計過程、高故障率、較大的電路板尺寸以及較高的BOM成本。因此，我們需要對其改進。 為了提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低故障率并節(jié)省設(shè)計成本，集成解決方案是必然的發(fā)展。半集成或全集成解決方案能夠解決多電池充電器傳統(tǒng)解決方案所面臨的問題，并加快產(chǎn)品上市時間。 圖2 顯示了一個半集成解決方案。在該方案中，所有控制回路（包括保護和指示）都集成在專用IC中。這樣就無需設(shè)計補償參數(shù)、編寫復雜的代碼或進行復雜的PCB布局，從而縮短了設(shè)計過程。但是，分立的MOSFET仍然會導致電路板尺寸過大。 

 

圖2：半集成解決方案

 

在全集成解決方案中，三個低導通電阻功率MOSFET和所有控制環(huán)路都集成在一個器件中 （見圖3）。這大大縮短了設(shè)計過程，減小了BOM尺寸，并提升了效率。 

 

圖3: 全集成解決方案

 

表1列出了集成解決方案和傳統(tǒng)解決方案的BOM?？梢钥闯?，集成解決方案（尤其是全集成解決方案）大大減小了電路板尺寸。

 

表1: 集成解決方案和傳統(tǒng)解決方案的BOM比較

 

創(chuàng)新

 

全集成多電池充電器具有許多優(yōu)勢。例如，MPS的MP2759是一款高度集成的開關(guān)充電器，它專為1至6節(jié)串聯(lián)鋰離子或鋰聚合物電池組的充電應(yīng)用而設(shè)計。該IC在3mmx3mm的封裝內(nèi)集成了三個功率MOSFET以及模擬控制電路，只需很少的外部電路就可以可靠、安全地工作。 

全集成充電系統(tǒng)

 

圖4 顯示了全集成解決方案的典型應(yīng)用電路。其功率級需要一個電感和三個電容，并且只需很少的外部組件即可實現(xiàn)完整的充電功能 

 

圖4：全集成解決方案的典型應(yīng)用電路

 

現(xiàn)代電池充電器一般分四個階段為電池組充電：涓流電流充電、預充電、恒流充電和恒壓充電（參見圖5）。通過將所有控制回路集成到一個設(shè)備中，充電變得快速、簡單而可靠。 

 

圖5: 典型充電曲線

 

由于集成了低導通電阻MOSFET，MP2759之類的全集成解決方案可以實現(xiàn)高達97％的效率（見圖6）。這些解決方案還提供出色的散熱性能，例如，MP2759外殼溫度升高42.3°C時的散熱圖(如圖7所示)。 

 

圖6：MP2759效率曲線

((測試條件: L = 10µH/35m?, RSNS = 20m?)

 

圖7：散熱性能評估

(測試條件: VIN = 36V, VBATT = 24V, ICC = 2A, fSW = 700kHz, L = 10µH/35m?, RSNS = 20m?, 拷機時間20分鐘)

(板信息: 63.5mmx63.5mm, 4層，2oz./層)

 

通過簡單的外部電路實現(xiàn)功能擴展

 

電源路徑管理

 

理想的集成解決方案應(yīng)提供電源路徑管理功能，以實現(xiàn)系統(tǒng)軌電源的優(yōu)先分配。MP2759采用一種通用的電源路徑管理方法。它在電池和系統(tǒng)之間連接了一個外部P溝道MOSFET（也稱為BATTFET），系統(tǒng)負載施加在PMID引腳上，而BATTFET的柵極由IN引腳信號驅(qū)動 （見圖8）。

 

圖8: 電源路徑管理

 

在沒有輸入源時，BATTFET將導通，電流從電池流至系統(tǒng)；當接通輸入源時，BATTFET將關(guān)斷，系統(tǒng)電源將通過Q1由輸入源提供。如果流經(jīng)Q1的總輸入電流達到ILIM引腳預設(shè)的輸入電流限制，充電電流將減少，以優(yōu)先滿足系統(tǒng)負載。

 

圖9和圖10 演示了MP2759的電源路徑管理功能實現(xiàn)的性能波形。

 

圖9：電源路徑管理啟動和關(guān)閉

(測試條件：VIN = 16V, VBATT = 8V, IIN_LMT = 2A, ICC = 3A, ILOAD = 1A)

 

圖10：IIN_LMT達到電源路徑管理預設(shè)的輸入電流限制

(測試條件： VIN = 36V, VBATT = 8.48V, IIN_LMT = 1A, ICC = 2A)

 

通過MCU實時充電電流的微調(diào)

 

由于電池和電池組制造商通常根據(jù)每個電池的溫度和電壓設(shè)定不同的充電電流限制，因此很多電池供電設(shè)備都必須能夠自身實時調(diào)節(jié)充電電流，以調(diào)整優(yōu)化其性能。大多數(shù)集成多電池充電器都使用連接到電流設(shè)置引腳（通常稱為ISET引腳）的電阻來調(diào)節(jié)充電電流，而不會采用成本較高的I2C。

 

用電阻調(diào)節(jié)充電電流通常有兩種方法：

 

1. 以恒定電壓讀取流經(jīng)電阻的電流；

2. 當電流保持恒定時，讀取電阻上的電壓。

 

現(xiàn)在我們來探討如何采用基于方法1的集成充電解決方案來實時調(diào)節(jié)充電電流。圖11顯示了ISET引腳的等效電路。

 

圖11: ISET 引腳等效電路

 

充電器可以通過ISET引腳和AGND之間的電阻（RISET）來調(diào)節(jié)充電電流。ICHG 通過公式（1）計算得出：

 

 

其中 R_CONS 是I_CHG = 1A時R_ISET的值。

 

參考等效 R_ISET電路（參見圖12）, 通過MCU修改PWM的占空比，可以更改等效R_ISET，從而實現(xiàn)充電電流的實時更改。 

 

圖12: 等效R_ISET電路

 

接下來，使用公式（2）和公式（3）可以計算出等效 R_ISET (REQ) :

 

 

其中 V_CONS 是ISET引腳上的恒定電壓, DUTY是PWM占空比, 而 V_{M_PWM} PWM幅度（通常約為3.3V） 。 N注意，在等式（1）、（2）和（3）中，R_EQ 必須大于0；否則， I_CHG 為0A。 

 

如果要設(shè)計一個全集成系統(tǒng)，可以使用以下公式和步驟來估算標準參數(shù) (R₁, R₂, R₃, C_ISET) ： 

 

首先，使用公式（4）計算與最大充電電流(R_{MAX_ICHG}) 相對應(yīng)的等效電阻：:

 

 

然后使用公式（5）選擇一個合適的 R₁:

 

 

接下來，使用公式（6）計算出 R₂ and R₃:

 

 

其中，MAX_DUTY 是充電電流降至0A時的最大PWM占空比。建議約為80％占空比。 

 

最后，選擇合適的 C_ISET 以將PWM信號通過濾波轉(zhuǎn)換為DC信號。C_ISET 可用公式（7）估算得出：:

 

 

其中fPWM為PWM頻率。

 

一個理想的鋰離子和鋰聚合物電池解決方案，其充電電流和PWM占空比之間應(yīng)具有良好的線性度，并具有較寬的占空比有效范圍。例如，MP2759可以提供0％至82％的占空比有效范圍（見圖13）。 

 

圖13: 充電電流與PWM占空比

 

而且，當充電電流變化時，MP2759不會出現(xiàn)過沖或下沖現(xiàn)象（見圖14）。 T當PWM占空比為50％時，該器件均能正常啟動和關(guān)斷(見圖15)。 

 

a) PWM占空比從65%降至10%

 

b) PWM占空比從10%升至65%

 

a) VIN啟動

圖14: 充電電流在0.5A 和2.4A之間變換

 

b) 充電啟用

 

c) 充電禁用

圖15: PWM占空比為50%時的啟動和關(guān)斷波形

 

保護和指示功能

 

為確保充電系統(tǒng)和IC的安全運行，電池的保護非常重要。常用的保護措施包括電池和輸入的過壓保護、電池溫度保護、過溫關(guān)斷保護、安全定時器以及根據(jù)電池電壓調(diào)節(jié)充電電流的能力等。全集成保護電路可以減少這些保護功能所需的IC數(shù)量。

 

MP2759具有ACOK和STAT引腳，可用于指示輸入源狀態(tài)和IC操作狀態(tài)。設(shè)計人員可以監(jiān)視這些引腳上的信號，以確定設(shè)備是否正常充電。表2列出了不同輸入源和工作條件下的ACOK和STAT狀態(tài)。

 

 

結(jié)論 

 

與傳統(tǒng)解決方案相比，全集成解決方案具有極高的效率、豐富的安全功能、低BOM成本和更短的設(shè)計周期。本文介紹的MPS MP2759，展示了集成解決方案的優(yōu)勢。該方案包括三個低導通電阻功率MOSFET、模擬控制環(huán)路以及保護和指示等輔助功能，它可以幫助設(shè)計人員通過簡單的外部電路實現(xiàn)電源路徑管理和實時充電電流調(diào)節(jié)。

 

 

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