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，放電周期內的曲線斜度必需極為陡峭，這意味著在數(shù)秒內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
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)勢之間進行權衡是很重要的。本文詳細討論了這種優(yōu)勢，結果顯示如圖 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。