便携系统中电池充电与系统供电并存的考虑
德州仪器公司 黄姝
在大多数使用可充电电池组的便携式系统中，直流输入不仅给系统供电，还要给电池充电。因此，系统设计者必须考虑如何在用直流输入给系统供电的同时，快速、安全、可靠地给电池充电。
对方便、灵活以及提高生产力的需求使便携式系统在工作和生活中日益普及。对于使用可充电电池组的便携式系统而言，电源设计上显著的挑战就是电池充电电路。尤其是当充电功能被集成在系统主板上而不是单独存在于系统以外的充电器上时，在电源设计上就更需要有一些特殊的考虑。
许多整合系统和电池充电电路的挑战来源于便携式系统本身的内在特性。其中之一是便携式系统可能有多个主要的电源输入，不同于非便携式系统通常只有一个固定的外接适配器。这些典型的电源包括电池、交流适配器以及其他直流输入，例如USB接口。多个输入电源对于设计有一系列的要求，例如在电源之间需要有可靠的切换而不至于使系统负载掉电或者电源之间短路。另外一个考虑是，通常情况下直流输入电压和电池电压额定值不同。因此必须按照最低的电池电压（最小值）以及适配器的输出电压（一般为最大值）的范围来设计电能转换电路。在大多数使用可充电电池组的便携式系统中，直流输入不仅给系统供电，还要给电池充电。因此，系统设计者必须考虑如何在用直流输入给系统供电的同时，快速、安全、可靠地给电池充电。
如何给锂离子电池组充电
在增加功能、减小体积的同时，便携系统的设计要争取尽量长的电池工作时间。锂离子电池在重量和体积上的相对能量密度性能突出，被广泛应用于便携设备中。为了便于理解给系统供电的同时给电池充电的难题，首先要理解如何正确地给锂离子电池充电。
图1所示是通常推荐用于锂离子电池充电的曲线。大多数锂离子充电集成电路都是按照这种方式来给电池组充电的。一般说来，锂离子电池充电包括3个阶段：预充阶段、快充恒流 (CC) 阶段、恒压（CV）终止阶段。在预充阶段，电池以低电流（1/10的快充电流）充电，直到电压升到一个适合快充的值（每节3V）。在快充恒流阶段，电池以快充电流值充电，直到电池电压升到恒压调控阈值（每节4.2V）, 然后电流会逐渐下降到设定好的终止阈值（终止检测）。充电在这一点终止或到达设定时间（TTAPER，通常小于20分钟）后再终止。为了安全保护以及故障检测，计时器 （例如TPRECHG和TCHG） 跟踪全部的充电时间以及/或者3个阶段的充电时间。如果计时器超时，充电控制电路终止充电，并向主系统控制器或者用户发出故障条件指示。表1为充电阶段的总结。
兼顾电池充电和系统供电出现的问题
图2 所示为在充电的同时给系统供电的基本电路结构。在这种结构中，充电电路的输出被分为系统负载以及电池充电两部分，也就是说，ICHG=ISYS+ IBAT。大多数基本的充电控制电路无法检测它的输出电流在电池充电和系统负载两者之间是如何分配的，从而也就不能在充电过程中作出正确的决定。这在锂离子电池的三个充电阶段中会出现不同的问题。
在预充阶段，充电电流相对较低（1/10的快充电流）。如果系统启动，会抽走大部分甚至全部的电流，从而使电池电压无法达到快充阈值（每节3V）。一旦预充定时器到时，充电控制电路就将进入充电错误模式。然而在电压低于3V时，锂离子电池本来就接近耗尽，所以通常当电池电压低于3V时系统会自动关机，那么预充定时器到时的问题也就可以避免了。
定时器到时问题同样也可能存在于在CC和CV阶段。在CC模式下，系统可以“盗用”足够电流而引起总充电定时器（如图1所示的TCHG）到时。在CV模式下，系统负载使充电电路输出电流(ICHG)可能总是超过终止电流，从而使充电电路无法检测到充电终止值而最终进入错误状态。这种情况如图3所示。
解决方案
一种基本解决办法是在充电控制电路周围加入另一个电流支路，如图4所示。这一支路会在充电时导通，提供负载电流。
Icharger +Isupplement=Isystem+Ibat，其中Isupplement=Isystem，那么流经充电IC的电流就等于电池充电电流，充电控制电路就可以正常工作了。基本的充电控制IC一般都有充电状态显示，这些状态显示输出可以用来控制辅助电流支路的导通。当状态显示为充电完毕时，辅助电流支路将关闭，以避免电池过充。
另一种解决办法是彻底将系统负载电流与电池充电电流隔离。这就保证了充电控制电路总是能得到输入电池的实际电流值。一些充电管理IC集成了路径选择电路来实现这一功能。在图5中，BQ24030有一个适配器直流输入端和两个输出端，一个给系统供电，另一个给电池充电。当适配器接入时，由适配器给系统供电和给电池充电。如果系统负载上升超过一定限度，控制电路会自动降低分配给电池的电流继续充电。当适配器取下后，就由电池给系统供电。BQ24030还包括一个USB输入端，也可以同时给系统供电和给电池充电。
小结
随着便携系统朝着轻、薄、短小和要求电池工作时间更长的方向发展，对电源设计提出了新的挑战。电池和集成电路技术的发展将迎接这些挑战，为移动世界带来各种更轻巧、更强大的便携式系统。
本文摘自《世界电子元器件》
