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作者: 发布时间:2013-08-28 来源: 繁体版
随着便携式终端产品处理能力的不断提升以及功能的不断丰富,终端产品的功耗也越来越大,因此待机时间就成为产品的关键性能指标之一。由于便携式终端设备受到体积的限制,不能简单地通过不断增加单节锂电池容量来延长待机
随着便携式终端产品处理能力的不断提升以及功能的不断丰富,终端产品的功耗也越来越大,因此待机时间就成为产品的关键性能指标之一。由于便携式终端设备受到体积的限制,不能简单地通过不断增加单节锂电池容量来延长待机时间,因此主电池+备电池的双电池供电方案不啻成为延长待机时间的优选方案。本文介绍了基于充电管理芯片bq24161以及ORing控制芯片TPS2419的双电池供电方案的设计。

文中分析了双电池供电方案的设计要求,给出了设计框图以及原理图,在此基础上分析了充电管理电路、ORing电路的具体设计方法,并且详细分析了各部分电路的工作原理。基于所设计的电路,对其供电可靠性等性能指标进行了测试。测试内容包括在静态负载电流以及动态负载电流条件下,备电插入、拔出过程中对系统供电可靠性的测试。测试结果表明:该方案能够在备电插入、拔出过程中保证系统供电的可靠性,并且能够对充电管理电路进行灵活管理,是一个适合于多种终端设备的双电池供电解决方案。

1 概述

当今智能手机、便携式路由器等便携式终端产品正朝着体积更小、厚度更薄以及重量更轻的趋势发展。但是随着便携式终端产品处理能力的不断提升以及功能的不断丰富,其功耗却越来越大。在电池技术没有得到突破之前,主电池+备电池的双电池解决方案就成为延长待机时间较好的方案。主电池设计在机壳内部,处于常在的状态,备电设计在机壳外部,可以随意拔插。基于主电池+备电池的结构特点,双电供电方案的设计要求主要包括以下两个方面:

1) 备电池在拔插过程中要保证系统供电的可靠性;

2) 备电池通路与主电池通路之间不会相互影响;

3) 对主电池以及备电池可以进行灵活的充电管理。

图1给出了基于bq24161+TPS2419的双电池供电方案的设计框图。主电池与备电池的充电管理分别由两片充电管理芯片bq24161进行单独控制。bq24161是高集成度的带有动态路径管理功能(DPPM)的单节锂电池充电管理芯片。主处理器与bq24161通过总线进行通信,实现对主电池以及备电池的充电管理,其中包括对充电电流、充电电压、状态监测与控制等功能的灵活控制。TPS2419是适用于N+1供电系统的ORing电路控制器,它与低导通电阻N沟道MOSFET配合使用,在获得MOSFET高效性能的同时,也提供了ORing二极管反向电流保护功能。TPS2419通过对电源电压以及系统电压的检测来打开或者关断对应通路MOSFET。一方面TPS2419及时打开MOSFET可以保证电源对系统供电的及时性和可靠性,另外一方面TPS2419迅速关断MOSFET可以防止及减小系统电压到输入端电源的反灌电流。ORing电路冗余设计的特性保证了主电池与备电池电源通路互为备用的同时,也保证了备电插拔过程中系统电压的安全性及可靠性。

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2 电路设计方法分析

2.1 电路设计原理图

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电路原理图中U1、U2是充电管理芯片bq24161,分别实现对主电池以及备电池的充电管理功能。U3、U4是ORing控制器TPS2419,实现主电池电源通路与备电池电源通路互为备用的双电源供电结构。

充电管理芯片bq24161具有适配器检测的功能,可以检测到适配器的插入或者拔出。当插入电源适配器或者USB充电线后,bq24161会有相应的标志寄存器置位,由于默认配置下IN输入通道相对于USB输入通道享有更高的优先级,因此电流会从IN输入通道提供。Host可以通过I2C接口读取U1、U2充电管理芯片内部寄存器的信息,并且通过I2C接口实现对主电、备电充电管理的灵活控制。在使能充电之前需要配置的参数包括充电电压、充电电流、充电终止电流、输入限流、VIN-DPM的门槛值等。

Host主机根据具体的需求控制U1、U2充电使能或终止,可以同时使能主电、备电的充电,也可以控制主电、备电的充电优先级。当同时使能主电、备电的充电,如果适配器的输入电流能力能够同时满足主电、备电充电的需求,那么U1、U2可以按照配置的充电电流给主电、备电同时充电。如果电源适配器的电流不能同时满足充电的需求,bq24161的VIN-DPM功能就会被激活,会自动减小输入限流点以保证输入电压稳定在所设置的VIN-DPM的门槛电压,内部寄存器DPM_STATUS位也会置位,此时主、备电的充电电流都不能达到设定的值,此时Host主机可以控制主电、备电的优先级,比如关断备电充电让主电先充电,主电充电完成后备电再开始充电。

U3、U4是ORing控制器TPS2419,实现主电与备电互为备用的双电源供电结构。当备电作为系统供电电源时,在备电突然拔出的条件下,U3能够迅速打开主电通路以保证系统电压的可靠性。当电压较高的备电突然插入时,U4会打开备电源通路,由备电提供系统供电。


2.2 充电管理电路设计

bq24161是高度集成的开关型高效率单节锂离子电池充电管理芯片,支持IN和USB双通道输入,最大充电电流可以达到2.5A。bq24161具有基于输入电压的动态功率管理功能(Vin-DPM)和动态功率路径管理功能(DPPM)。其中VIN-DPM功能可以在充电器无法完全提供系统及充电电流能力的情况下,自动调整减小输入电流门限值,使输入端口电压维持在一定的门槛值,防止适配器(或USB电源)当机,另外Vin-DPM的门槛值可以灵活地进行编程设置。因此,bq24161可与具有不同电流能力的适配器(USB电源)配合使用。在DPPM功能中,若SYS电压由于负载原因跌落到最小系统电压(VMINSYS),bq24161会自动减小充电电流,以满足系统的供电需求。如果充电电流减小停止充电后都满足不了系统的供电需求,bq24161会立即进入补电模式,即电池向系统放电来满足系统负载的需求,从而保证系统电压的可靠性以及系统正常工作。因此,bq24161能够在保证系统供电可靠性的条件下,实现对电池的灵活充电管理,并且能够在电池过放或者电池不在位的条件下保证系统的正常供电。


基于bq24161+TPS2419双电池供电方案的设计分析
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