【導(dǎo)讀】工業(yè)醫(yī)療設(shè)備、機(jī)器人吸塵器、無人機(jī)和大功率揚(yáng)聲器等電氣設(shè)備都需要多電池充電器來供電，而多電池充電器的傳統(tǒng)解決方案通常由幾個(gè)分立的功率MOSFET和多個(gè)輔助器件組成。 圖1 展示了一個(gè)傳統(tǒng)的解決方案。設(shè)計(jì)人員至少需要三個(gè)功率MOSFET，其中兩個(gè)用于功率變換，另一個(gè)用于防止電池電荷回流至輸入端；控制回路也必不可少，它包括采樣電路、補(bǔ)償電路、PWM發(fā)生器和驅(qū)動(dòng)器；另外，還需要提供保護(hù)電路，用于指示輸入源狀態(tài)、工作條件的變化以及其他功能。
圖1：傳統(tǒng)的多電池充電器解決方案
這些分立的組件導(dǎo)致了復(fù)雜的設(shè)計(jì)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(duì)其改進(jìn)。 為了提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低故障率并節(jié)省設(shè)計(jì)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(shí)間。 圖2 顯示了一個(gè)半集成解決方案。在該方案中，所有控制回路（包括保護(hù)和指示）都集成在專用IC中。這樣就無需設(shè)計(jì)補(bǔ)償參數(shù)、編寫復(fù)雜的代碼或進(jìn)行復(fù)雜的PCB布局，從而縮短了設(shè)計(jì)過程。但是，分立的MOSFET仍然會(huì)導(dǎo)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(gè)低導(dǎo)通電阻功率MOSFET和所有控制環(huán)路都集成在一個(gè)器件中 （見圖3）。這大大縮短了設(shè)計(jì)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。可以看出，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(shì)。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(jì)。該IC在3mmx3mm的封裝內(nèi)集成了三個(gè)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(jí)需要一個(gè)電感和三個(gè)電容，并且只需很少的外部組件即可實(shí)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(gè)階段為電池組充電：涓流電流充電、預(yù)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(gè)設(shè)備中，充電變得快速、簡(jiǎn)單而可靠。
圖5: 典型充電曲線
由于集成了低導(dǎo)通電阻MOSFET，MP2759之類的全集成解決方案可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)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(shí)的散熱圖(如圖7所示)。
圖6：MP2759效率曲線
((測(cè)試條件: L = 10µH/35m?, RSNS = 20m?)
圖7：散熱性能評(píng)估
(測(cè)試條件: VIN = 36V, VBATT = 24V, ICC = 2A, fSW = 700kHz, L = 10µH/35m?, RSNS = 20m?, 拷機(jī)時(shí)間20分鐘)
(板信息: 63.5mmx63.5mm, 4層，2oz./層)
通過簡(jiǎn)單的外部電路實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)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(shí)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(gè)外部P溝道MOSFET（也稱為BATTFET），系統(tǒng)負(fù)載施加在PMID引腳上，而BATTFET的柵極由IN引腳信號(hào)驅(qū)動(dòng) （見圖8）。
圖8: 電源路徑管理
在沒有輸入源時(shí)，BATTFET將導(dǎo)通，電流從電池流至系統(tǒng)；當(dāng)接通輸入源時(shí)，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(dá)到ILIM引腳預(yù)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(fù)載。
圖9和圖10 演示了MP2759的電源路徑管理功能實(shí)現(xiàn)的性能波形。
圖9：電源路徑管理啟動(dòng)和關(guān)閉
(測(cè)試條件：VIN = 16V, VBATT = 8V, IIN_LMT = 2A, ICC = 3A, ILOAD = 1A)
圖10：IIN_LMT達(dá)到電源路徑管理預(yù)設(shè)的輸入電流限制
(測(cè)試條件： VIN = 36V, VBATT = 8.48V, IIN_LMT = 1A, ICC = 2A)
通過MCU實(shí)時(shí)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(gè)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(shí)時(shí)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(huì)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(dāng)電流保持恒定時(shí)，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(shí)時(shí)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(jì)算得出：
其中 RCONS 是ICHG = 1A時(shí)RISET的值。
參考等效 RISET電路（參見圖12）, 通過MCU修改PWM的占空比，可以更改等效RISET，從而實(shí)現(xiàn)充電電流的實(shí)時(shí)更改。
圖12: 等效RISET電路
接下來，使用公式（2）和公式（3）可以計(jì)算出等效 RISET (REQ) :
其中 VCONS 是ISET引腳上的恒定電壓, DUTY是PWM占空比, 而 VM_PWM PWM幅度（通常約為3.3V） 。 N注意，在等式（1）、（2）和（3）中，REQ 必須大于0；否則， ICHG 為0A。
如果要設(shè)計(jì)一個(gè)全集成系統(tǒng)，可以使用以下公式和步驟來估算標(biāo)準(zhǔn)參數(shù) (R1, R2, R3, CISET) ：
首先，使用公式（4）計(jì)算與最大充電電流(RMAX_ICHG) 相對(duì)應(yīng)的等效電阻：:
然后使用公式（5）選擇一個(gè)合適的 R1:
接下來，使用公式（6）計(jì)算出 R2 and R3:
其中，MAX_DUTY 是充電電流降至0A時(shí)的最大PWM占空比。建議約為80％占空比。
最后，選擇合適的 CISET 以將PWM信號(hào)通過濾波轉(zhuǎn)換為DC信號(hào)。CISET 可用公式（7）估算得出：:
其中fPWM為PWM頻率。
一個(gè)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(dāng)充電電流變化時(shí)，MP2759不會(huì)出現(xiàn)過沖或下沖現(xiàn)象（見圖14）。 T當(dāng)PWM占空比為50％時(shí)，該器件均能正常啟動(dòng)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(dòng)
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(shí)的啟動(dòng)和關(guān)斷波形
保護(hù)和指示功能
為確保充電系統(tǒng)和IC的安全運(yùn)行，電池的保護(hù)非常重要。常用的保護(hù)措施包括電池和輸入的過壓保護(hù)、電池溫度保護(hù)、過溫關(guān)斷保護(hù)、安全定時(shí)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(hù)電路可以減少這些保護(hù)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(jì)人員可以監(jiān)視這些引腳上的信號(hào)，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(jì)周期。本文介紹的MPS MP2759，展示了集成解決方案的優(yōu)勢(shì)。該方案包括三個(gè)低導(dǎo)通電阻功率MOSFET、模擬控制環(huán)路以及保護(hù)和指示等輔助功能，它可以幫助設(shè)計(jì)人員通過簡(jiǎn)單的外部電路實(shí)現(xiàn)電源路徑管理和實(shí)時(shí)充電電流調(diào)節(jié)。
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