用于多锂离子/锂聚合物电池充电器的集成解决方案

图1：传统的多电池充电器解决方案

这些分立的组件导致了复杂的设计过程、高故障率、较大的电路板尺寸以及较高的BOM成本。因此，我们需要对其改进。 为了提高产品质量、降低故障率并节省设计成本，集成解决方案是必然的发展。半集成或全集成解决方案能够解决多电池充电器传统解决方案所面临的问题，并加快产品上市时间。 图2 显示了一个半集成解决方案。在该方案中，所有控制回路（包括保护和指示）都集成在专用IC中。这样就无需设计补偿参数、编写复杂的代码或进行复杂的PCB布局，从而缩短了设计过程。但是，分立的MOSFET仍然会导致电路板尺寸过大。

图2：半集成解决方案

在全集成解决方案中，三个低导通电阻功率MOSFET和所有控制环路都集成在一个器件中 （见图3）。这大大缩短了设计过程，减小了BOM尺寸，并提升了效率。

图3: 全集成解决方案

表1列出了集成解决方案和传统解决方案的BOM。可以看出，集成解决方案（尤其是全集成解决方案）大大减小了电路板尺寸。

表1: 集成解决方案和传统解决方案的BOM比较

创新

全集成多电池充电器具有许多优势。例如，MPS的MP2759是一款高度集成的开关充电器，它专为1至6节串联锂离子或锂聚合物电池组的充电应用而设计。该IC在3mmx3mm的封装内集成了三个功率MOSFET以及模拟控制电路，只需很少的外部电路就可以可靠、安全地工作。

全集成充电系统

图4 显示了全集成解决方案的典型应用电路。其功率级需要一个电感和三个电容，并且只需很少的外部组件即可实现完整的充电功能

图4：全集成解决方案的典型应用电路

现代电池充电器一般分四个阶段为电池组充电：涓流电流充电、预充电、恒流充电和恒压充电（参见图5）。通过将所有控制回路集成到一个设备中，充电变得快速、简单而可靠。

图5: 典型充电曲线

由于集成了低导通电阻MOSFET，MP2759之类的全集成解决方案可以实现高达97％的效率（见图6）。这些解决方案还提供出色的散热性能，例如，MP2759外壳温度升高42.3°C时的散热图(如图7所示)。

图6：MP2759效率曲线

((测试条件: L = 10µH/35mΩ, RSNS = 20mΩ)

图7：散热性能评估

(测试条件: VIN = 36V, VBATT = 24V, ICC = 2A, fSW = 700kHz, L = 10µH/35mΩ, RSNS = 20mΩ, 拷机时间20分钟)

(板信息: 63.5mmx63.5mm, 4层，2oz./层)

通过简单的外部电路实现功能扩展

电源路径管理

理想的集成解决方案应提供电源路径管理功能，以实现系统轨电源的优先分配。MP2759采用一种通用的电源路径管理方法。它在电池和系统之间连接了一个外部P沟道MOSFET（也称为BATTFET），系统负载施加在PMID引脚上，而BATTFET的栅极由IN引脚信号驱动 （见图8）。

图8: 电源路径管理

在没有输入源时，BATTFET将导通，电流从电池流至系统；当接通输入源时，BATTFET将关断，系统电源将通过Q1由输入源提供。如果流经Q1的总输入电流达到ILIM引脚预设的输入电流限制，充电电流将减少，以优先满足系统负载。

图9和图10 演示了MP2759的电源路径管理功能实现的性能波形。

图9：电源路径管理启动和关闭

(测试条件：VIN = 16V, VBATT = 8V, IIN_LMT = 2A, ICC = 3A, ILOAD = 1A)

图10：IIN_LMT达到电源路径管理预设的输入电流限制

(测试条件： VIN = 36V, VBATT = 8.48V, IIN_LMT = 1A, ICC = 2A)

通过MCU实时充电电流的微调

由于电池和电池组制造商通常根据每个电池的温度和电压设定不同的充电电流限制，因此很多电池供电设备都必须能够自身实时调节充电电流，以调整优化其性能。大多数集成多电池充电器都使用连接到电流设置引脚（通常称为ISET引脚）的电阻来调节充电电流，而不会采用成本较高的I2C。

用电阻调节充电电流通常有两种方法：

1. 以恒定电压读取流经电阻的电流；

2. 当电流保持恒定时，读取电阻上的电压。

现在我们来探讨如何采用基于方法1的集成充电解决方案来实时调节充电电流。图11显示了ISET引脚的等效电路。

图11: ISET 引脚等效电路

充电器可以通过ISET引脚和AGND之间的电阻（RISET）来调节充电电流。ICHG 通过公式（1）计算得出：

其中 RCONS是ICHG1A时RISET的值。

参考等效 RISET电路（参见图12）, 通过MCU修改PWM的占空比，可以更改等效RISET，从而实现充电电流的实时更改。

图12: 等效RISET电路

接下来，使用公式（2）和公式（3）可以计算出等效 RISET(REQ) :

其中 VCONS是ISET引脚上的恒定电压, DUTY是PWM占空比, 而 VM_PWMPWM幅度（通常约为3.3V） 。 N注意，在等式（1）、（2）和（3）中，REQ必须大于0；否则， ICHG为0A。

如果要设计一个全集成系统，可以使用以下公式和步骤来估算标准参数 (R1, R2, R3, CISET) ：

首先，使用公式（4）计算与最大充电电流(RMAX_ICHG) 相对应的等效电阻：:

然后使用公式（5）选择一个合适的 R1:

接下来，使用公式（6）计算出 R2and R3:

其中，MAX_DUTY 是充电电流降至0A时的最大PWM占空比。建议约为80％占空比。

最后，选择合适的 CISET以将PWM信号通过滤波转换为DC信号。CISET可用公式（7）估算得出：:

其中fPWM为PWM频率。

一个理想的锂离子和锂聚合物电池解决方案，其充电电流和PWM占空比之间应具有良好的线性度，并具有较宽的占空比有效范围。例如，MP2759可以提供0％至82％的占空比有效范围（见图13）。

图13: 充电电流与PWM占空比

而且，当充电电流变化时，MP2759不会出现过冲或下冲现象（见图14）。 T当PWM占空比为50％时，该器件均能正常启动和关断(见图15)。

a) PWM占空比从65%降至10%

b) PWM占空比从10%升至65%

a) VIN启动

图14: 充电电流在0.5A 和2.4A之间变换

b) 充电启用

c) 充电禁用

图15: PWM占空比为50%时的启动和关断波形

保护和指示功能

为确保充电系统和IC的安全运行，电池的保护非常重要。常用的保护措施包括电池和输入的过压保护、电池温度保护、过温关断保护、安全定时器以及根据电池电压调节充电电流的能力等。全集成保护电路可以减少这些保护功能所需的IC数量。

MP2759具有ACOK和STAT引脚，可用于指示输入源状态和IC操作状态。设计人员可以监视这些引脚上的信号，以确定设备是否正常充电。表2列出了不同输入源和工作条件下的ACOK和STAT状态。

结论

与传统解决方案相比，全集成解决方案具有极高的效率、丰富的安全功能、低BOM成本和更短的设计周期。本文介绍的MPS MP2759，展示了集成解决方案的优势。该方案包括三个低导通电阻功率MOSFET、模拟控制环路以及保护和指示等辅助功能，它可以帮助设计人员通过简单的外部电路实现电源路径管理和实时充电电流调节。

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