【導讀】工業(yè)醫(yī)療設備、機器人吸塵器、無人機和大功率揚聲器等電氣設備都需要多電池充電器來供電，而多電池充電器的傳統(tǒng)解決方案通常由幾個分立的功率MOSFET和多個輔助器件組成。 圖1 展示了一個傳統(tǒng)的解決方案。設計人員至少需要三個功率MOSFET，其中兩個用于功率變換，另一個用于防止電池電荷回流至輸入端；控制回路也必不可少，它包括采樣電路、補償電路、PWM發(fā)生器和驅(qū)動器；另外，還需要提供保護電路，用于指示輸入源狀態(tài)、工作條件的變化以及其他功能。
圖1：傳統(tǒng)的多電池充電器解決方案
這些分立的組件導致了復雜的設計過程、高故障率、較大的電路板尺寸以及較高的BOM成本。因此，我們需要對其改進。 為了提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低故障率并節(jié)省設計成本，集成解決方案是必然的發(fā)展。半集成或全集成解決方案能夠解決多電池充電器傳統(tǒng)解決方案所面臨的問題，并加快產(chǎn)品上市時間。 圖2 顯示了一個半集成解決方案。在該方案中，所有控制回路（包括保護和指示）都集成在專用IC中。這樣就無需設計補償參數(shù)、編寫復雜的代碼或進行復雜的PCB布局，從而縮短了設計過程。但是，分立的MOSFET仍然會導致電路板尺寸過大。
圖2：半集成解決方案
在全集成解決方案中，三個低導通電阻功率MOSFET和所有控制環(huán)路都集成在一個器件中 （見圖3）。這大大縮短了設計過程，減小了BOM尺寸，并提升了效率。
圖3: 全集成解決方案
表1列出了集成解決方案和傳統(tǒng)解決方案的BOM?？梢钥闯觯山鉀Q方案（尤其是全集成解決方案）大大減小了電路板尺寸。
表1: 集成解決方案和傳統(tǒng)解決方案的BOM比較
創(chuàng)新
全集成多電池充電器具有許多優(yōu)勢。例如，MPS的MP2759是一款高度集成的開關(guān)充電器，它專為1至6節(jié)串聯(lián)鋰離子或鋰聚合物電池組的充電應用而設計。該IC在3mmx3mm的封裝內(nèi)集成了三個功率MOSFET以及模擬控制電路，只需很少的外部電路就可以可靠、安全地工作。
全集成充電系統(tǒng)
圖4 顯示了全集成解決方案的典型應用電路。其功率級需要一個電感和三個電容，并且只需很少的外部組件即可實現(xiàn)完整的充電功能
圖4：全集成解決方案的典型應用電路
現(xiàn)代電池充電器一般分四個階段為電池組充電：涓流電流充電、預充電、恒流充電和恒壓充電（參見圖5）。通過將所有控制回路集成到一個設備中，充電變得快速、簡單而可靠。
圖5: 典型充電曲線
由于集成了低導通電阻MOSFET，MP2759之類的全集成解決方案可以實現(xiàn)高達97％的效率（見圖6）。這些解決方案還提供出色的散熱性能，例如，MP2759外殼溫度升高42.3°C時的散熱圖(如圖7所示)。
圖6：MP2759效率曲線
((測試條件: L = 10µH/35m?, RSNS = 20m?)
圖7：散熱性能評估
(測試條件: VIN = 36V, VBATT = 24V, ICC = 2A, fSW = 700kHz, L = 10µH/35m?, RSNS = 20m?, 拷機時間20分鐘)
(板信息: 63.5mmx63.5mm, 4層，2oz./層)
通過簡單的外部電路實現(xiàn)功能擴展
電源路徑管理
理想的集成解決方案應提供電源路徑管理功能，以實現(xiàn)系統(tǒng)軌電源的優(yōu)先分配。MP2759采用一種通用的電源路徑管理方法。它在電池和系統(tǒng)之間連接了一個外部P溝道MOSFET（也稱為BATTFET），系統(tǒng)負載施加在PMID引腳上，而BATTFET的柵極由IN引腳信號驅(qū)動 （見圖8）。
圖8: 電源路徑管理
在沒有輸入源時，BATTFET將導通，電流從電池流至系統(tǒng)；當接通輸入源時，BATTFET將關(guān)斷，系統(tǒng)電源將通過Q1由輸入源提供。如果流經(jīng)Q1的總輸入電流達到ILIM引腳預設的輸入電流限制，充電電流將減少，以優(yōu)先滿足系統(tǒng)負載。
圖9和圖10 演示了MP2759的電源路徑管理功能實現(xiàn)的性能波形。
圖9：電源路徑管理啟動和關(guān)閉
(測試條件：VIN = 16V, VBATT = 8V, IIN_LMT = 2A, ICC = 3A, ILOAD = 1A)
圖10：IIN_LMT達到電源路徑管理預設的輸入電流限制
(測試條件： VIN = 36V, VBATT = 8.48V, IIN_LMT = 1A, ICC = 2A)
通過MCU實時充電電流的微調(diào)
由于電池和電池組制造商通常根據(jù)每個電池的溫度和電壓設定不同的充電電流限制，因此很多電池供電設備都必須能夠自身實時調(diào)節(jié)充電電流，以調(diào)整優(yōu)化其性能。大多數(shù)集成多電池充電器都使用連接到電流設置引腳（通常稱為ISET引腳）的電阻來調(diào)節(jié)充電電流，而不會采用成本較高的I2C。
用電阻調(diào)節(jié)充電電流通常有兩種方法：
1. 以恒定電壓讀取流經(jīng)電阻的電流；
2. 當電流保持恒定時，讀取電阻上的電壓。
現(xiàn)在我們來探討如何采用基于方法1的集成充電解決方案來實時調(diào)節(jié)充電電流。圖11顯示了ISET引腳的等效電路。
圖11: ISET 引腳等效電路
充電器可以通過ISET引腳和AGND之間的電阻（RISET）來調(diào)節(jié)充電電流。ICHG 通過公式（1）計算得出：
其中 RCONS 是ICHG = 1A時RISET的值。
參考等效 RISET電路（參見圖12）, 通過MCU修改PWM的占空比，可以更改等效RISET，從而實現(xiàn)充電電流的實時更改。
圖12: 等效RISET電路
接下來，使用公式（2）和公式（3）可以計算出等效 RISET (REQ) :
其中 VCONS 是ISET引腳上的恒定電壓, DUTY是PWM占空比, 而 VM_PWM PWM幅度（通常約為3.3V） 。 N注意，在等式（1）、（2）和（3）中，REQ 必須大于0；否則， ICHG 為0A。
如果要設計一個全集成系統(tǒng)，可以使用以下公式和步驟來估算標準參數(shù) (R1, R2, R3, CISET) ：
首先，使用公式（4）計算與最大充電電流(RMAX_ICHG) 相對應的等效電阻：:
然后使用公式（5）選擇一個合適的 R1:
接下來，使用公式（6）計算出 R2 and R3:
其中，MAX_DUTY 是充電電流降至0A時的最大PWM占空比。建議約為80％占空比。
最后，選擇合適的 CISET 以將PWM信號通過濾波轉(zhuǎn)換為DC信號。CISET 可用公式（7）估算得出：:
其中fPWM為PWM頻率。
一個理想的鋰離子和鋰聚合物電池解決方案，其充電電流和PWM占空比之間應具有良好的線性度，并具有較寬的占空比有效范圍。例如，MP2759可以提供0％至82％的占空比有效范圍（見圖13）。
圖13: 充電電流與PWM占空比
而且，當充電電流變化時，MP2759不會出現(xiàn)過沖或下沖現(xiàn)象（見圖14）。 T當PWM占空比為50％時，該器件均能正常啟動和關(guān)斷(見圖15)。
a) PWM占空比從65%降至10%
b) PWM占空比從10%升至65%
a) VIN啟動
圖14: 充電電流在0.5A 和2.4A之間變換
b) 充電啟用
c) 充電禁用
圖15: PWM占空比為50%時的啟動和關(guān)斷波形
保護和指示功能
為確保充電系統(tǒng)和IC的安全運行，電池的保護非常重要。常用的保護措施包括電池和輸入的過壓保護、電池溫度保護、過溫關(guān)斷保護、安全定時器以及根據(jù)電池電壓調(diào)節(jié)充電電流的能力等。全集成保護電路可以減少這些保護功能所需的IC數(shù)量。
MP2759具有ACOK和STAT引腳，可用于指示輸入源狀態(tài)和IC操作狀態(tài)。設計人員可以監(jiān)視這些引腳上的信號，以確定設備是否正常充電。表2列出了不同輸入源和工作條件下的ACOK和STAT狀態(tài)。
結(jié)論
與傳統(tǒng)解決方案相比，全集成解決方案具有極高的效率、豐富的安全功能、低BOM成本和更短的設計周期。本文介紹的MPS MP2759，展示了集成解決方案的優(yōu)勢。該方案包括三個低導通電阻功率MOSFET、模擬控制環(huán)路以及保護和指示等輔助功能，它可以幫助設計人員通過簡單的外部電路實現(xiàn)電源路徑管理和實時充電電流調(diào)節(jié)。
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