延長行動裝置續航力　DPM強化電池充電管理效能

與此同時，提供良好的使用者體驗也非常重要，例如：系統瞬間開啟、更長的電池使用時間等，本文將探討如何透過動態電源管理(DPM)技術，實現快速電池充電和提高電池充電效能，包括可幫助避免系統崩潰，並最大化變壓器可用功率等；此外，DPM還可基於輸入電流或輸入電壓，或者與電池補充供電模式一起組合使用，本文將一併介紹各種延長電池使用時間的重要設計考量。

行動裝置採用高容量電池　充電管理設計不可輕忽

鋰離子(Li-Ion)電池對可攜式設備不斷增長的電力需求來說是一種理想選擇，因為其擁有非常高的功率密度。現今，一台10吋螢幕的平板裝置，通常會使用一塊6∼10安培/小時(Ah)容量的電池組合提供長效工作時間，利用高容量電池，可攜式設備便將擁有快速、高效充電能力，進而實現良好的使用者體驗。

另外，平板裝置還要求具備一些其他功能，例如即使在電池深度放電的情況下，仍須具備優異的散熱效能和瞬間開機能力，這些要求帶來許多技術挑戰，首先就是如何在不讓電源崩潰的同時，最大化電源的可用功率，並高效和快速的對電池充電；其次是如何在系統工作的同時，對深度放電的電池進行充電，另外一個挑戰則是如何延遲電池使用時間和提高散熱效能。

如何最大化可用功率來對電池進行快速及高效的充電？所有電源都受其輸出電流或功率限制。例如第二代通用序列匯流排(USB 2.0)埠的最大輸出電流限定在500毫安培(mA)，而USB 3.0的最大輸出電流為900毫安培，如果系統的功率需求超出電源能提供的功率，則電源會崩潰，所以當電池充電時，如何在功率輸出最大化的同時防止電源崩潰呢？以下將介紹三種控制方法，包括基於輸入電流的DPM、基於輸入電壓的DPM，以及與電池補充供電模式一起使用的DPM方案。

監測/控制充電電流　DPM促進輸入功率最大化

圖1　基於輸入電流的DPM

圖1顯示使用DPM控制的高效開關模式充電器。金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)Q2及Q3與電感器L組成一個同步開關降壓型電池充電器，使用一個降壓轉換器可確保有效率的轉換變壓器的輸入功率，以實現更快速的電池充電。MOSFET Q1的功用為一個電池反向阻塞MOSFET，用於防止從電池到輸入的漏電流經過MOSFET Q2的保護二極體，另外，還有輸入電流檢測器的作用，以監測變壓器電流。

MOSFET Q4用於主動監測和控制電池充電電流，以實現DPM功能。當輸入功率足以支援系統負載和電池充電時，使用理想的充電電流值(ICHG)來對電池充電。如果系統負載(ISYS)突然增加且其變壓器總電流達到設置的電流上限(IREF)，則輸入電流調節環路會主動調節，並使輸入電流保持在預定的輸入基準電流IREF上，給予更高的優先權為系統供電，以讓其達到最高效能，並同時降低充電電流，這樣便可實現上述目標。因此，可以在輸入功率電源不崩潰的同時最大化輸入功率，並且讓可用功率動態地在系統和電池充電之間共用。

檢測並調節輸入電壓　DPM實現鋰電池完全充電

圖2　基於輸入電壓的DPM

如果一個第三方電源插入系統，系統無法識別其電池限制，則難以根據輸入電流限制來使用DPM。這種情況下，可使用基於輸入電壓的DPM(圖2)。電阻分壓器R1和R2用於檢測輸入電壓，然後回饋給輸入電壓調節環路的誤差放大器。同樣，如果系統負載增加，導致輸入電流超過變壓器的電流限制，則變壓器電壓開始下降，並最終達到預設的最小輸入電壓。

輸入電壓調節環路被啟動，以讓輸入電壓維持在預設水準，設計人員可透過自動降低充電電流，以便讓輸入功率電源的總電流達到其最大值，並在電源不崩潰的情況下來完成這項工作，因此系統可追蹤變壓器的最大輸入電流。設計輸入電壓調節的目的是讓電壓保持足夠的強度，以便對電池完全充電，例如可把電壓設置為4.35伏特(V)左右，以對一個單節鋰離子電池組完全充電。

因應動態系統負載　DPM結合電池補充供電模式

基於輸入電流或者輸入電壓的DPM，可在電源不崩潰的情況下從變壓器獲得最大功率。對於一些可攜式設備而言，如智慧型手機和平板裝置等，系統負載通常是動態的，並且有高脈衝電流，即使是充電電流已降至零，如果出現脈衝系統的峰值功率高於輸入功率怎麼辦？如果不主動控制，則輸入功率電源可能會崩潰。

一種解決方案是，增加變壓器的額定功率，但這會增加變壓器的體積和成本。另一種解決方案是，開啟MOSFET Q4對電池放電而非充電，進而暫時性地為系統提供更多的功率。組合運用DPM控制和電池補充供電模式，可優化變壓器，以提供平均功率而非最大峰值系統功率，進而降低成本，並實現最小的解決方案尺寸。

改善充電使用體驗　行動裝置支援瞬間開啟

顯而易見，平板裝置和智慧型手機等可攜式設備，均要求實現瞬間開機功能，進而提供良好的使用者體驗，這意味著，不管電池是完全充電還是深度放電，插入變壓器時系統都要瞬間開啟。

例如，假設系統使用一塊單節鋰離子電池，如圖1、2所示，如果在沒有MOSFET Q4的情況下，電池直接連結至系統，則系統匯流排電壓(VBUS)與電池電壓一樣，電壓小於3伏特的一塊深度放電電池，可能會阻止系統開機。使用者可能不得不等待電池充電3.4伏特以後才能開啟系統。

為支援即時開啟功能，添加MOSFET Q4，以便工作在線性模式下，實現對深度放電電池充電的同時維持最小系統工作電壓。最小系統電壓透過開關式轉換器調節，而Q4的充電電流則透過一個線性控制環路來調節。一旦電池電壓達到最小系統電壓，MOSFET Q4便完全開啟，充電電流透過同步降壓轉換器的負荷週期來調節，所以系統電壓始終維持在最小系統工作電壓和最大電池電壓之間來為系統供電。

在一個5伏特的USB充電系統中，電源和電池之間的所有串列電阻都會影響充電效率。充電通路的電阻由FET Q1、Q2及Q4的導通電阻及USB電纜約250毫歐姆(mΩ)的電阻共同組成。如果電纜電壓下降，充電器輸入電壓不容易達到4.5伏特。因此，設計一種FET導通電阻最低的充電器，可減少充電時間，這一點至關重要。

圖3比較使用德州儀器(TI)bq24190 USB/變壓充電器設計，和一個在充電通路上設置額外80毫歐姆電阻的替代設計充電時間，可看到前者方案由輸入電壓達到4.5伏特的充電時間縮短20%。

圖3　充電通路中高導通電阻的影響

延長電池使用時間　高效充電器/電路配置至關重要

當然，電池容量愈高，電池使用時間也就愈長。對於一個單電池供電的系統而言，通常要求3.3伏特輸出電壓，其基本最小系統電壓為3.4伏特左右。如果MOSFET Q4的導通電阻為50毫歐姆，且電池放電電流為3安培，則電池截止電壓為3.55伏特，意味著超過15%的電池容量並未得到利用。

為最大化電池使用時間，MOSFET Q4的導通電阻必須盡可能縮小，例如導通電阻為10毫歐姆，且峰值電池放電電流同樣為3安培，則電池截止電壓為3.43伏特，相比50毫歐姆的導通電阻，所提供的電池電量多10%。

圖4顯示一個整合MOSFET的高效率及單電池I2C充電器實例。這種充電器同時支援USB和交流(AC)變壓器輸入，適用於平板裝置和可攜式媒體設備，其整合四個功率MOSFET，MOSFET Q1和Q4用於檢測輸入電流和電池充電電流，進一步最小化系統的解決方案尺寸，這種充電器還可區分USB埠和變壓器，以便快速設置正確的輸入電流限制。

圖4　使用DPM的高效、4安培I2C開關式充電器

另外，即使在系統關機的情況下，充電器可以單獨工作，擁有內部預設充電電流、充電電壓、安全計時器和輸入電流限制。這種充電器還具有USB OTG(On-the-Go)功能，其工作在增壓模式下，透過電池在USB輸入端提供5伏特、1.3安培輸出。

對於那些具有超薄外形的可攜式設備而言，散熱效能至關重要，因為使用者可很容易感覺到來自印刷電路板(PCB)的發熱情況。這種熱是由一些高功耗元件所產生，如電池充電器等。

要想解決這個問題，使用高效率的充電器和良好的電路板配置非常重要，為進一步提高散熱效能，新一代單節鋰電池USB/變壓器充電晶片內部使用一個熱調節環路，透過在元件達到預設結點溫度時降低充電電流，來控制最高結點溫度；圖5為測量該晶片設計的電池充電效率，使用5伏特USB輸入時，其效率可高達94%，9伏特輸入和4安培充電電流時，溫度僅升高至32℃。

圖5　不同充電電流下測得的電池充電效率

(本文作者任職於德州儀器)