|
作者：Leo Li，TI公司 China Telecom Application Team 摘要 隨著便攜式終端產(chǎn)品處理能力的不斷提升以及功能的不斷豐富，終端產(chǎn)品的功耗也越來越大，因此待機(jī)時(shí)間就成為產(chǎn)品的關(guān)鍵性能指標(biāo)之一。由于便攜式終端設(shè)備受到體積的限制，不能簡單地通過不斷增加單節(jié)鋰電池容量來延長待機(jī)時(shí)間，因此主電池+備電池的雙電池供電方案不啻成為延長待機(jī)時(shí)間的優(yōu)選方案。本文介紹了基于充電管理芯片bq24161 以及ORing 控制芯片TPS2419 的雙電池供電方案的設(shè)計(jì)，文中分析了雙電池供電方案的設(shè)計(jì)要求，給出了設(shè)計(jì)框圖以及原理圖，在此基礎(chǔ)上分析了充電管理電路、ORing 電路的具體設(shè)計(jì)方法，并且詳細(xì)分析了各部分電路的工作原理。基于所設(shè)計(jì)的電路，對其供電可靠性等性能指標(biāo)進(jìn)行了測試。測試內(nèi)容包括在靜態(tài)負(fù)載電流以及動態(tài)負(fù)載電流條件下，備電插入、拔出過程中對系統(tǒng)供電可靠性的測試。測試結(jié)果表明：該方案能夠在備電插入、拔出過程中保證系統(tǒng)供電的可靠性，并且能夠?qū)Τ潆姽芾黼娐愤M(jìn)行靈活管理，是一個(gè)適合于多種終端設(shè)備的雙電池供電解決方案。 1 概述 當(dāng)今智能手機(jī)、便攜式路由器等便攜式終端產(chǎn)品正朝著體積更小、厚度更薄以及重量更輕的趨勢發(fā)展。但是隨著便攜式終端產(chǎn)品處理能力的不斷提升以及功能的不斷豐富，其功耗卻越來越大。在電池技術(shù)沒有得到突破之前，主電池+備電池的雙電池解決方案就成為延長待機(jī)時(shí)間較好的方案。主電池設(shè)計(jì)在機(jī)殼內(nèi)部，處于常在的狀態(tài)，備電設(shè)計(jì)在機(jī)殼外部，可以隨意拔插。基于主電池+備電池的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，雙電供電方案的設(shè)計(jì)要求主要包括以下兩個(gè)方面： 1) 備電池在拔插過程中要保證系統(tǒng)供電的可靠性； 2) 備電池通路與主電池通路之間不會相互影響； 3) 對主電池以及備電池可以進(jìn)行靈活的充電管理。 圖1 給出了基于bq24161+TPS2419 的雙電池供電方案的設(shè)計(jì)框圖。主電池與備電池的充電管理分別由兩片充電管理芯片bq24161 進(jìn)行單獨(dú)控制。bq24161 是高集成度的帶有動態(tài)路徑管理功能（DPPM）的單節(jié)鋰電池充電管理芯片。主處理器與 bq24161 通過 
圖 1 基于bq24161+TPS2419 的雙電池供電方案框圖 2 電路設(shè)計(jì)方法分析 2.1 電路設(shè)計(jì)原理圖
圖2 基于bq24161+TPS2419 的雙電池供電方案原理圖 電路原理圖中U1、U2 是充電管理芯片bq24161，分別實(shí)現(xiàn)對主電池以及備電池的充電管理功能。U3、U4 是ORing 控制器TPS2419，實(shí)現(xiàn)主電池電源通路與備電池電源通路互為備用的雙電源供電結(jié)構(gòu)。 充電管理芯片bq24161 具有適配器檢測的功能，可以檢測到適配器的插入或者拔出。當(dāng)插入電源適配器或者USB 充電線后，bq24161 會有相應(yīng)的標(biāo)志寄存器置位，由于默認(rèn)配置下IN 輸入通道相對于USB 輸入通道享有更高的優(yōu)先級，因此電流會從IN 輸入通道提供。Host 可以通過I2C 接口讀取U1、U2 充電管理芯片內(nèi)部寄存器的信息，并且通過I2C 接口實(shí)現(xiàn)對主電、備電充電管理的靈活控制。在使能充電之前需要配置的參數(shù)包括充電電壓、充電電流、充電終止電流、輸入限流、VIN-DPM的門檻值等。 Host 主機(jī)根據(jù)具體的需求控制U1、U2 充電使能或終止，可以同時(shí)使能主電、備電的充電，也可以控制主電、備電的充電優(yōu)先級。當(dāng)同時(shí)使能主電、備電的充電，如果適配器的輸入電流能力能夠同時(shí)滿足主電、備電充電的需求，那么U1、U2 可以按照配置的充電電流給主電、備電同時(shí)充電。如果電源適配器的電流不能同時(shí)滿足充電的需求，bq24161 的VIN-DPM功能就會被激活，會自動減小輸入限流點(diǎn)以保證輸入電壓穩(wěn)定在所設(shè)置的VIN-DPM的門檻電壓，內(nèi)部寄存器DPM_STATUS 位也會置位，此時(shí)主、備電的充電電流都不能達(dá)到設(shè)定的值，此時(shí)Host 主機(jī)可以控制主電、備電的優(yōu)先級，比如關(guān)斷備電充電讓主電先充電，主電充電完成后備電再開始充電。 U3、U4 是ORing 控制器TPS2419，實(shí)現(xiàn)主電與備電互為備用的雙電源供電結(jié)構(gòu)。當(dāng)備電作為系統(tǒng)供電電源時(shí)，在備電突然拔出的條件下，U3 能夠迅速打開主電通路以保證系統(tǒng)電壓的可靠性。當(dāng)電壓較高的備電突然插入時(shí)，U4 會打開備電源通路，由備電提供系統(tǒng)供電。 2.2 充電管理電路設(shè)計(jì) bq24161 是高度集成的開關(guān)型高效率單節(jié)鋰離子電池充電管理芯片，支持IN 和USB 雙通道輸入，最大充電電流可以達(dá)到2.5A。bq24161 具有基于輸入電壓的動態(tài)功率管理功能（Vin-DPM）和動態(tài)功率路徑管理功能（DPPM）。 其中VIN-DPM功能可以在充電器無法完全提供系統(tǒng)及充電電流能力的情況下， 自動調(diào)整減小輸入電流門限值，使輸入端口電壓維持在一定的門檻值，防止適配器(或USB 電源)當(dāng)機(jī)，另外Vin-DPM 的門檻值可以靈活地進(jìn)行編程設(shè)置。因此，bq24161 可與具有不同電流能力的適配器(USB 電源)配合使用。在DPPM 功能中，若SYS 電壓由于負(fù)載原因跌落到最小系統(tǒng)電壓（VMINSYS），bq24161 會自動減小充電電流，以滿足系統(tǒng)的供電需求。如果充電電流減小停止充電后都滿足不了系統(tǒng)的供電需求，bq24161 會立即進(jìn)入補(bǔ)電模式，即電池向系統(tǒng)放電來滿足系統(tǒng)負(fù)載的需求，從而保證系統(tǒng)電壓的可靠性以及系統(tǒng)正常工作。因此，bq24161 能夠在保證系統(tǒng)供電可靠性的條件下，實(shí)現(xiàn)對電池的靈活充電管理，并且能夠在電池過放或者電池不在位的條件下保證系統(tǒng)的正常供電。 充電管理電路部分的線路設(shè)計(jì)主要包括U1 和U2。U1 實(shí)現(xiàn)對主電池的充電管理，U2 實(shí)現(xiàn)對備電池的充電管理，兩者充電管理部分設(shè)計(jì)參數(shù)基本相同，因此這里只對主電池管理電路即U1電路部分進(jìn)行討論。 當(dāng)前市場上的終端產(chǎn)品大多對外只設(shè)一個(gè)接口兼容USB 和適配器電源輸入。 因此本文設(shè)計(jì)中IN 和USB 輸入端口是連接在一起的，主處理器可以通過內(nèi)部寄存器來設(shè)置兩個(gè)電源輸入通道的優(yōu)先級來分別滿足適配器充電以及USB 充電的需求。由于bq24161 工作模式為開關(guān)型， 因此需要在IN 端口以及USB 端口分別就近連接1uF 的輸入電容到地作旁路濾波作用。 對于功率電感的設(shè)計(jì)，bq24161 推薦的功率電感的選擇范圍為1.5uH~2.2uH，為了盡量地減小紋波電流、提高效率，本設(shè)計(jì)選取2.2uH 的電感，其峰值電流計(jì)算如下：
取VINMAX =10V ，VOUT = 4.2V ， ILOAD(MAX ) = 2.5A計(jì)算峰值電流 IPEAK = 2.87A，因此選擇TDK LTF5022T-2R2N3R2 電感，其直流電流可以達(dá)到3.2A。 bq24161采用的是內(nèi)部補(bǔ)償方式，為了保證其工作穩(wěn)定性，要求輸出電容在10uF~200uF之間，本設(shè)計(jì)中選取10uF的陶瓷電容作為輸出電容。為了盡量減小開關(guān)過程中高頻電流環(huán)路的面積，需要在PMIDI以及PMIDU引腳分別放置4.7uF的陶瓷電容。另外SYS引腳以及BAT引腳對地也需要放置1uF的陶瓷電容。另外如果設(shè)計(jì)場合對動態(tài)響應(yīng)有要求，那么建議在SYS端對地增加容值至少為47uF的旁路電容，以提高充電管理電路動態(tài)性能。 主處理器通過 總線與bq24161 之間進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對相關(guān)控制寄存器及狀態(tài)寄存器的配置和讀取。STAT 引腳是一個(gè)開漏極輸出口，可以用來對bq24161 的工作狀態(tài)進(jìn)行顯示，設(shè)計(jì)中可以用來驅(qū)動LED 燈來顯示不同的工作狀態(tài)，或者可以連接到主處理器的GPIO 口以供主處理器直接讀取。INT 引腳也是一個(gè)開漏極輸出口，可以與主處理器的外部觸發(fā)中斷相連，當(dāng)報(bào)警發(fā)生時(shí)可以觸發(fā)主處理器的中斷，主處理器可以及時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的報(bào)警處理。另外CD 引腳是硬件關(guān)斷控制，當(dāng)為“高”時(shí)bq24161 會設(shè)置在高阻抗模式下，主處理器可以根據(jù)需要對CD 引腳進(jìn)行靈活控制。 BGATE 引腳是用來提供PMOSFET Q1 的驅(qū)動信號，Q1 是可選擇性設(shè)計(jì)，主要目的是為了在電池放電條件下優(yōu)化放電通路的性能。Q1 與bq24161 內(nèi)部的放電MOSFET 并聯(lián)使用，并聯(lián)后的導(dǎo)通阻抗更小，這樣就可以減小放電MOSFET 上的損耗，從而提高效率，延長產(chǎn)品的續(xù)航時(shí)間。 本設(shè)計(jì)中，備電的充電管理電路硬件設(shè)計(jì)與主電相同，因此可以參考主電的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。 2.3 ORing 電路設(shè)計(jì) ORing 電路是通過兩片TPS2419 來實(shí)現(xiàn)的，TPS2419 是適用于N+1 供電系統(tǒng)的ORing 電路控制器，其精確的電壓檢測和可編程的關(guān)斷門限可以充分保證系統(tǒng)供電的靈活性和可靠性。其中A、C 引腳為電壓檢測輸入引腳，分別連接N-MOSFET 的源極和漏極，當(dāng)母線電壓VC 低于供電電壓VA，并且滿足V(A-C)>65mV 時(shí)，TPS2419 會迅速打開外部的N-MOSFET 管。當(dāng)母線電壓VC接近或者大于VA 供電電壓時(shí)，TPS2419 會迅速關(guān)斷外部的N-MOSFET，切斷母線電壓 VC 與供電電壓VA 的通路。TPS2419 的關(guān)斷門檻電壓差V(A-C)可以由RSET 引腳電阻設(shè)置，默認(rèn)典型值為3mV（RSET 懸空）。 下面在備電突然插入或者拔出的情況下，針對不同的條件對TPS2419ORing 電路的工作原理進(jìn)行分析，圖3 是備電插入、拔出系統(tǒng)供電流程圖。
圖3 備電插入、拔出系統(tǒng)供電流程圖 1) 當(dāng)主電池給系統(tǒng)供電時(shí)，插入備電，如果備電電壓滿足VBAT2_SYS-VSYS>65mV, 那么備電的TPS2419 會打開外部的MOSFET，備電給系統(tǒng)供電，VSYS=VBAT2_SYS-Vdrop2，其中Vdrop2 是MOSFET 上的導(dǎo)通壓降。對于主電的通路來說，如果此時(shí)VBAT1_SYS-VSYS 滿足關(guān)斷條件，那么主電池通路的MOSFET 會關(guān)斷，由備電給系統(tǒng)供電，關(guān)斷過程中VSYS 電壓保持穩(wěn)定，能夠保證系統(tǒng)供電的可靠性。如果VBAT1_SYS-VSYS 不滿足關(guān)斷條件，那么主電的通路的MOSFET 仍然導(dǎo)通，此時(shí)主電備電的同時(shí)給系統(tǒng)供電。 2) 當(dāng)主電池給系統(tǒng)供電時(shí)，拔出備電，因?yàn)榇藭r(shí)備電通路MOSFET 沒有打開，拔出備電對VSYS 沒有任何影響，VSYS 仍然由主電來提供。 3) 當(dāng)備電給系統(tǒng)供電時(shí)，拔出備電。在拔出備電的過程中VSYS 電壓會有下降的趨勢，當(dāng)VSYS 電壓跌落到主電通路VBAT1_SYS-VSYS>65mV 的導(dǎo)通門檻時(shí)，主電回路的TPS2419會迅速打開MOSFET，VSYS 電流由主電池來提供，由于TPS2419 能夠迅速打開，因此在整個(gè)切換過程中能夠保證VSYS 供電的可靠性。 綜合以上幾種條件下分析，表明本文中TPS2419 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的ORing 電路在備電突然插入或者拔出的情況下，能夠完全保證系統(tǒng)供電的可靠性。 下面先來分析討論一下主電通路TPS2419 電路的設(shè)計(jì)，如圖3 所示。
圖4 主電池通路ORing 電路設(shè)計(jì) TPS2419 的A、C 引腳電壓檢測輸入引腳，用來檢測外部MOSFET 上的壓降，分別連接MOSFET 的源極和漏極，分別連接470nF 的去耦電容。對于MOSFET 的選擇要考慮電壓等級、Rdson、尺寸、驅(qū)動電壓等級以及成本等因素。本設(shè)計(jì)中采用CSD16412Q5A 型N-MOSFET，其VDS 電壓等級為25V，RDS(on) 只有13mΩ 。為了最大程度減小對TPS2419 內(nèi)部電源的干擾，BYP 引腳需要連接一個(gè)2.2nF 的去耦電容。GATE 引腳提供外部MOSFET 的柵極驅(qū)動信號，其強(qiáng)健的驅(qū)動能力可以使得TPS2419 在100-200ns 的時(shí)間里迅速的關(guān)斷外部MOSFET，為了防止過快的電流變化對電路的影響，需要GATE 引腳與MOSFET 的柵極之間串聯(lián)一個(gè)10 Ω ~200 Ω的電阻，本設(shè)計(jì)中選取30 Ω 電阻R13。RSET 引腳是用力設(shè)置MOSFET 的關(guān)斷門檻，如下式：
負(fù)的關(guān)斷門檻可以防止由于總線上噪聲引起的誤關(guān)斷動作，但也會造成大的反向電流；正的關(guān)斷門檻可以防止或減小反向電流，但是對噪聲的敏感度高， 易在輕載時(shí)不斷關(guān)斷、重起。由于本設(shè)計(jì)是針對電池的應(yīng)用，輸入電源噪聲很小，另外負(fù)載電流不太大，為了盡量防止反向電流引起的電池之間互充，可以設(shè)置關(guān)斷門檻為0mV，因此取
EN 引腳為TPS2419 的使能控制，為了最大限度的減小系統(tǒng)待機(jī)時(shí)候的靜態(tài)電流，當(dāng)系統(tǒng)處于待機(jī)條件下OREN1 信號拉低，TPS2419 處于不使能狀態(tài)，靜態(tài)電流可以維持在最小，此時(shí)系統(tǒng)的供電經(jīng)過肖特基二極管D2 來提供。 圖4 是備電通路TPS2419 電路的設(shè)計(jì)。
圖5 備電池通路ORing 電路設(shè)計(jì) 備電池通路與主電池通路TPS2419 電路設(shè)計(jì)基本相同，只是MOSFET 管的設(shè)計(jì)稍有區(qū)別。對于相同部分的電流這里不再贅述，只對MOSFET 部分進(jìn)行分析討論。如果在應(yīng)用中需要關(guān)斷備電池的放電，如果選用單MOSFET 的設(shè)計(jì)，當(dāng)OREN2 設(shè)置TPS2419 處于不使能狀態(tài)時(shí)，如果備電池電壓高于VSYS 時(shí)，電流就會從外部MOSFET 的體二極管流向VSYS，從而不能斷開備電的放電，因此這里需要采用對管的結(jié)構(gòu)，這樣就可以完全切斷備電放電的通路。 2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 測試電路在靜態(tài)負(fù)載以及動態(tài)負(fù)載不同負(fù)載條件下，系統(tǒng)供電電壓VSYS 的穩(wěn)定性以及VBAT1_SYS 與VBAT2_SYS 之間是否相互影響： 1) 備電不在位，主電提供系統(tǒng)電壓VSYS，VBAT1_SYS>VBAT2_SYS 條件下插入備電。過程中不存在主電、備電切換供電過程，測試VSYS 電壓的穩(wěn)定性以及備電對主電通路的影響； 2) 備電不在位，主電提供系統(tǒng)電壓VSYS，VBAT1_SYS 4) 備電在位，備電提供系統(tǒng)電壓VSYS，VBAT1_SYS 下面分為靜態(tài)負(fù)載電流以及動態(tài)負(fù)載電流兩種情況，在不同工作條件下測試系統(tǒng)電壓VSYS的穩(wěn)定性以及VBAT1_SYS 與VBAT2_SYS 之間是否相互影響，其中：CH1-VSYS，CH2-VBAT1_SYS，CH3-VBAT2_SYS，CH4-ISYS。 1) 持續(xù)負(fù)載電流條件下測試 測試方法：VSYS 系統(tǒng)供電端上加恒定3A 靜態(tài)電流負(fù)載，在主電、備電供電條件下，測試備電插入、拔出過程中VSYS 電壓的穩(wěn)定性和穩(wěn)定性。
圖6 靜態(tài)負(fù)載備電插入 (VBAT1_SYS>VBAT2_SYS)
圖7 靜態(tài)負(fù)載備電插入 (VBAT1_SYS
圖8 靜態(tài)負(fù)載備電拔出( VBAT1_SYS>VBAT2_SYS)
圖9 靜態(tài)負(fù)載備電拔出( VBAT1_SYS 測試結(jié)果表明：在靜態(tài)電流負(fù)載條件下，備電的插入、拔出能夠保證系統(tǒng)電壓VSYS 電壓的穩(wěn)定性以及供電的可靠性，另外備電的插入、拔出不會對主電電源產(chǎn)生影響。 2) 動態(tài)負(fù)載電流條件下測試 VSYS 提供功率放大電路電源，功放工作在最大功率發(fā)射條件下，動態(tài)負(fù)載電流在0~3A 之間持續(xù)變化，高低電流的持續(xù)時(shí)間均為500us，電流變化率為1A/us。測試備電插入、拔出過程中VSYS 供電的可靠性。
圖10 動態(tài)負(fù)載備電插入 (VBAT1_SYS>VBAT2_SYS)
圖11 動態(tài)負(fù)載備電插入 (VBAT1_SYS
圖12 動態(tài)負(fù)載備電拔出 ( VBAT1_SYS>VBAT2_SYS)
圖13 動態(tài)負(fù)載備電拔出 ( VBAT1_SYS 測試結(jié)果表明：在動態(tài)電流負(fù)載條件下，備電的插入、拔出能夠保證系統(tǒng)電壓VSYS 電壓的穩(wěn)定性以及供電的可靠性，另外備電的插入、拔出不會對主電電源產(chǎn)生影響。 3 總結(jié) 本文主要分析了基于bq24161+TPS2419 的雙電池供電方案的設(shè)計(jì)方法，并且針對不同的應(yīng)用場景進(jìn)行了測試分析，測試結(jié)果表明該方案能夠滿足雙電池供電系統(tǒng)的要求，能夠應(yīng)用于智能手機(jī)、WIFI Router 等多種便攜式終端產(chǎn)品。 參考資料 1. bq24161 Data Sheet (slusao0) 2. TPS2419 Date Sheet (slva998b) |
