本文主要介紹充電器IC的功率路徑特性。功率路徑常常以不同的名稱出現(xiàn),，另外也有多種實現(xiàn)方案,。系統(tǒng)設計人員因此可能困擾于如何在不同方案之間進行權(quán)衡比較。功率路徑的大致定義是能夠提供以下一種或多種的優(yōu)勢：
1. 系統(tǒng)與電池之間功率共享
2. 為無電池的系統(tǒng)供電
3. 為電池完全耗盡的系統(tǒng)供電
圖1的模塊示意圖是一個使用“理想”二極管的功率路徑的典型實現(xiàn)方案,。電流由箭頭標識,，可看出“理想”二極管 (不論是內(nèi)部還是外部) 有助于電流的適當控制,。
這個實現(xiàn)方案雖然能夠滿足功率路徑的標準，但實際上二極管不可能是真正“理想”的,。例如,，一塊這樣IC 的內(nèi)部二極管實際上是一個電阻值一般為 180m? 的 PMOS，這意味著電池與系統(tǒng)負載之間始終存在一個 180m? 的耗能串聯(lián)組件,，其在電池大電流耗電 (比如 GSM 脈沖) 期間會產(chǎn)生相當可觀的額外功耗,。采用并聯(lián) PMOS 開關可以減小這個阻抗值，但同時也會增加解決方案的尺寸和成本,。
圖2的實現(xiàn)方案不同于圖1,。圖2中的電路雖然表面上看來似乎沒有功率路徑功能性，但事實上它幾乎能夠滿足所有的需求,。另外,，它還有一大好處，即系統(tǒng)負載和電池之間沒有耗能串聯(lián)組件,。
圖1.采用“理想二極管”的功率路徑實現(xiàn)方案
圖2.FAN5400模塊示意圖
系統(tǒng)與電池功率共享
系統(tǒng)與電池間的功率共享,，意味著在輸入功率不足以同時為系統(tǒng)供電和電池充電的情況下，功率可被控制或優(yōu)先供給系統(tǒng),。
FAN5400的典型配置如圖3所示,，其中，系統(tǒng)與電池并聯(lián)連接,。這種配置的功率控制方式類似于功率路徑,，有時會讓人感到混淆，故下面給出了基于真實電池容量和輸入電源數(shù)目的實際情況,。
圖3.典型應用電路,，系統(tǒng)與電池并聯(lián)
實例1：1500mAh 電池 (電池的1C最大充電電流能力 為1500mA)，輸入電源為 5V/ 500mA 的USB 2.0
情況A) 在 3.6V和系統(tǒng)負載400mA接通的情況下,，部分充電的電池,。
在系統(tǒng)負載接通之前，充電器已經(jīng)處于CC模式,。由于輸入電源為5V 500mA,，電池電壓為3.6V，故大約有632mA的電流可用于電池充電,。這個數(shù)值是考慮到充電器轉(zhuǎn)換效率以及降低電壓時獲得的輸出電流倍增因子而計算出的,。
(1)由本例中的這些數(shù)值，可得5V/3.6V•500mA•91%=632mA,。從圖4中可發(fā)現(xiàn) 91%效率數(shù)據(jù)點,。
圖4. FAN5400 的轉(zhuǎn)換效率與電池電壓及VBUS電壓的關系
當系統(tǒng)負載接通時，400mA的電流轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，只剩下232mA用于電池充電,。這就相當于功率控制(power steering),；對于充電器來說，系統(tǒng)的優(yōu)先級高于電池,。在系統(tǒng)負載關斷時,，全部的 632mA 電流再一次流向電池。如圖3所示,，F(xiàn)AN5400 的優(yōu)點在于系統(tǒng)和負載之間沒有耗能串聯(lián)組件,。
情況B) 在 3.6V和系統(tǒng)負載 2000mA接通的情況下，部分充電的電池,。
在系統(tǒng)負載接通之前,，與情況A類似，充電器已經(jīng)處于CC 模式下,，并把所有輸入功率用于632mA 的電池充電,。當系統(tǒng)負載接通時，632mA的電流轉(zhuǎn)向系統(tǒng),，余下的 1368mA 負載電流由電池提供,。
這相當于功率控制；對于充電器來說,，系統(tǒng)的優(yōu)先級高于電池,。在系統(tǒng)負載關斷時，全部的632mA電流再一次流向電池,。同樣的,，圖3所示電路具有一個優(yōu)點,，即在系統(tǒng)和負載之間無耗能組件,。
情況C) 在 4.2V和系統(tǒng)負載 400mA 接通的情況下，完全充電的電池,。
在系統(tǒng)負載接通之前,，充電器是關斷的。當負載接通時,，所有系統(tǒng)功率首先來自于電池,。一旦VBAT < VOREG - VRCH，充電器便會啟動,。VRCH 是再充電閾值,，為120mV。由于輸入電源為 5V 500mA,，充電器能提供的最大可用電流為 5V/4V•500mA•92%=575mA (這里假設電池電壓為4V),。充電器啟動時，充電器的充電電流應該為 575mA。不過,，由于系統(tǒng)負載仍然存在,，實際上只有 575mA-400mA=175mA 流入電池。
這相當于功率控制,；對于充電器來說,，系統(tǒng)的優(yōu)先級高于電池。在系統(tǒng)負載關斷時,，全部的 575mA電流流向電池,，直到電池進入CV模式，這時,，充電電流開始減小,。同樣的，圖3所示電路具有一個優(yōu)點,，即在系統(tǒng)和負載之間無耗能組件,。
情況D) 在 4.2V和系統(tǒng)負載 2000mA接通的情況下，完全充電的電池,。
在系統(tǒng)負載接通之前,，充電器是關斷的。當負載接通時,，功率首先來自于電池,，而電池充電器幾乎立即啟動，并進入C C模式,。這是因為鋰離子電池一般都有一個150mΩ的輸出阻抗,，這個阻抗幾乎立刻使 VBAT < VOREG - VRCH。類似于情況 C,，充電器試圖以 575mA 的電流為電池充電 (實際上會稍高于 575mA,，因為這種情況中電池電壓比情況 C 的低，且倍增因子略高,。不過,，由于這是演示實驗，所以可以忽略不考慮),。充電器試圖充電,，但由于系統(tǒng)負載為2000mA，575mA 的電流流向負載,，剩余1425mA的系統(tǒng)負載電流由電池提供,。
這相當于功率控制；對于充電器來說,，系統(tǒng)的優(yōu)先級高于電池,。在系統(tǒng)負載關斷時,，全部的575mA 電流流向電池，直到電池進入 CV 模式,，這時,，充電電流開始減小。同樣的,，圖3所示電路具有一個優(yōu)點,，即在系統(tǒng)和負載之間無功耗組件。
實例2：700mAh 電池 (電池的1C最大充電電流能力 為700mA),，輸入電源為5V /900mA 的AC/DC 適配器,，或 5V/900mA的USB 3.0
情況A) 在 3.6V和系統(tǒng)負載400mA接通的情況下，部分充電的電池,。
在系統(tǒng)負載接通之前,，充電器會處于 CC 模式。由于電池電壓為3.6V,，故有5V/3.6V•900mA• 91%=1138mA的電流可用于電池充電,。然而，電池存在700mA的最大1C充電電流的限制,，因此充電器設置為700mA充電,。相比實例1，實例2的獨特之處在于：在1C放電速度的條件下,，輸入電源能夠提供的功率比電池能夠接受的更大,。當系統(tǒng)負載接通時，400mA轉(zhuǎn)向系統(tǒng),，只剩下300mA為電池充電,。
有些設計人員可能感到這一點并不合意，因為輸入電源沒有充分被利用,，達到電池和系統(tǒng)負載能夠接受的總和的程度,。一種解決方案是把系統(tǒng)負載與 CSIN 連接，如圖5所示,。
圖5. 系統(tǒng)負載與CSIN相連接的應用電路
系統(tǒng)負載與 CSIN 相連接使得 AC/DC 適配器或 USB 電源甚至能夠以比電池的1C級更高的最大功率級來提供電流,。在這種配置中，在負載接通之前,，電池以 700mA 的1C最大充電能力進行充電。當 400mA的系統(tǒng)負載接通時,，整個400mA的系統(tǒng)負載由充電器供電,，電池繼續(xù)在 700mA的電流下充電。
這種配置的一個缺點是在電池與系統(tǒng)負載之間的路徑上始終存在一個68mΩ的耗能串聯(lián)組件,。這類似于圖1所示的功率路徑實現(xiàn)方案中的情況,，不過，F(xiàn)AN5400中的68m?大大低于某些帶功率路徑的產(chǎn)品中的180m?。
情況B) 在 3.6V和系統(tǒng)負載 2000mA接通的情況下,，部分充電的電池,。
在系統(tǒng)負載接通之前，充電器會處于 CC 模式,，并以700mA的電流為電池充電,，與情況 A 類似。當系統(tǒng)負載接通時,，如果使用圖3中的配置,，由充電器為系統(tǒng)負載提供700mA的電流，其余1300mA 由電池提供,。
如果使用圖5中的配置,，由充電器為系統(tǒng)負載提供 1138mA 的電流，而其余 862mA 由電池提供,。
這兩種配置都相當于功率控制,；但在圖5的配置中，所有輸入功率都被使用,。這里需要權(quán)衡的是電池和系統(tǒng)負載之間的68mΩ串聯(lián)組件,。在兩種配置中，一旦系統(tǒng)負載關斷,，700mA都流向電池,。
情況C) 在 4.2V和系統(tǒng)負載 400mA 接通的情況下，完全充電的電池,。
在系統(tǒng)負載接通之前,，充電器是關斷的。當負載接通時,，系統(tǒng)功率首先來自于電池,。只要VBAT < VOREG - VRCH，充電器就會啟動,，VRCH 是再充電閾值,，為120mV。由于輸入電源為5V 900mA,，充電器能提供的最大可用電流為 5V/4V•900mA•92%=1035mA (這里假設電池電壓降至為4V),。充電器啟動時，充電器試圖以 700mA的充電電流為電池充電,。不過,，由于系統(tǒng)負載仍然存在，故若采用圖3中的配置,，實際上只剩下300mA為電池充電,。
如果采用圖5中的配置,，當負載接通時，635mA的電流流向電池,，由充電器為系統(tǒng)負載提供400mA的電流,。而充電器輸出電流共為1035mA，故這是很好理解的,。一旦系統(tǒng)負載關斷,，全部700mA電流流向電池直到電池進入CV模式；這時,，充電電流減小,。需要權(quán)衡的是電池和系統(tǒng)負載之間的68mΩ串聯(lián)組件。
情況D) 在 4.2V和系統(tǒng)負載 2000mA接通的情況下,，完全充電的電池,。
在系統(tǒng)負載接通之前，充電器是關斷的,。當負載接通時,，若采用圖3的配置，功率首先來自于電池,，而電池充電器幾乎立即啟動,，并進入CC模式。這是因為鋰離子電池一般都有一個150mΩ?的輸出阻抗,，該阻抗幾乎立刻使 VBAT < VOREG - VRCH,。就如 情況C一樣，充電器試圖以700mA的電流為電池充電,。但由于系統(tǒng)負載為 2000mA,，因此 700mA的電流從充電器流向負載，剩余1300mA的系統(tǒng)負載電流由電池提供,。
如果采用圖5的配置,，當負載接通時，1035mA的電流從充電器流向負載,，剩余965mA的電流由電池提供,。當系統(tǒng)負載關斷時，700mA電流流向電池,，直到電池進入CV模式,，這時，充電電流開始減小,。同樣的,，這里需要權(quán)衡的是電池和系統(tǒng)負載之間的 68mΩ串聯(lián)組件。
為無電池或深度放電的系統(tǒng)供電
在VBUS POR之后,，F(xiàn)AN5402 和 FAN5405 利用缺省參數(shù)繼續(xù)充電,，把VBAT調(diào)節(jié)至3.54V，直到主處理器發(fā)出命令或15分鐘的看門狗定時器到時限,。采用這種方法,，F(xiàn)AN5402/05 在無電池下也能夠啟動系統(tǒng)。
不過,，在電池深度放電的情況下,，電池電壓低于系統(tǒng)負載所需的供電電壓，圖3和圖5的功率路徑實現(xiàn)方案無法啟動系統(tǒng),。
相反,，即使在電池電壓大大低于系統(tǒng)負載工作所需電壓時，圖1中實現(xiàn)的功率路徑仍然能夠為系統(tǒng)供電,。這是圖1電路與FAN5400相比的主要優(yōu)勢,。不過，很重要的一點是,，放電周期內(nèi)的曲線斜度必需極為陡峭,，這意味著在數(shù)秒內(nèi)電池電壓就能夠上升到滿足最小系統(tǒng)負載要求的水平。
圖6所示為充電的周期行為,，為一個普通電池充電至穩(wěn)定的 3.4V 所需的時間為 40 秒鐘,。這個過程的解釋如下。
(A) 當VBAT > 3.4V時,，處理器被喚醒,，這種情況在 VBUS 插入大約 15 秒鐘后出現(xiàn)。
(B) 在處理器對 IC 程序設計以獲得更大充電電流后約 1 秒鐘,，電池保護 FET 關斷,。這會造成 VBAT下降 (不再有 FET 體二極管與 VBAT 串聯(lián))。
圖6. 深度放電電池的電荷特性
總結(jié)
在電池電量極低或深度放電時,，圖 2 所示的 FAN540X 部分功率路徑雖然也會出現(xiàn)無法立即為系統(tǒng)負載供電的情況,，但對普通手機電池來說這只是 40秒而已。在這一缺點與 FAN540X 提供的優(yōu)勢之間進行權(quán)衡是很重要的,。本文詳細討論了這種優(yōu)勢,，結(jié)果顯示如圖 3 所配置的 FAN5400在電池和系統(tǒng)負載之間沒有耗能串聯(lián)組件，而且能夠提供兩個更重要的動態(tài)功率路由優(yōu)點：系統(tǒng)與電池之間功率共享,；以及為無電池的系統(tǒng)供電,。