【導讀】工業醫療設備、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發生器和驅動器；另外，還需要提供保護電路，用于指示輸入源狀態、工作條件的變化以及其他功能。
圖1：傳統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。 為了提高產品質量、降低故障率并節省設計成本，集成解決方案是必然的發展。半集成或全集成解決方案能夠解決多電池充電器傳統解決方案所面臨的問題，并加快產品上市時間。 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、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解決方案的BOM。可以看出，集成解決方案（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解決方案的BOM比較
創新
全集成多電池充電器具有許多優勢。例如，MPS的MP2759是一款高度集成的開關充電器，它專為1至6節串聯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
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完整的充電功能
圖4：全集成解決方案的典型應用電路
現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，以實現系統軌電源的優先分配。MP2759采用一種通用的電源路徑管理方法。它在電池和系統之間連接了一個外部P溝道MOSFET（也稱為BATTFET），系統負載施加在PMID引腳上，而BATTFET的柵極由IN引腳信號驅動 （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；當接通輸入源時，BATTFET將關斷，系統電源將通過Q1由輸入源提供。如果流經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，以優先滿足系統負載。
圖9和圖10 演示了MP2759的電源路徑管理功能實現的性能波形。
圖9：電源路徑管理啟動和關閉
(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
由于電池和電池組制造商通常根據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節充電電流，以調整優化其性能。大多數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）的電阻來調節充電電流，而不會采用成本較高的I2C。
用電阻調節充電電流通常有兩種方法：
1. 以恒定電壓讀取流經電阻的電流；
2. 當電流保持恒定時，讀取電阻上的電壓。
現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節充電電流。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）來調節充電電流。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，可以使用以下公式和步驟來估算標準參數 (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不會出現過沖或下沖現象（見圖14）。 T當PWM占空比為50％時，該器件均能正常啟動和關斷(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%時的啟動和關斷波形
保護和指示功能
為確保充電系統和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、過溫關斷保護、安全定時器以及根據電池電壓調節充電電流的能力等。全集成保護電路可以減少這些保護功能所需的IC數量。
MP2759具有ACOK和STAT引腳，可用于指示輸入源狀態和IC操作狀態。設計人員可以監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。
結論
與傳統解決方案相比，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勢。該方案包括三個低導通電阻功率MOSFET、模擬控制環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電源路徑管理和實時充電電流調節。
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