基于bq24161+TPS2419 雙電池供電方案的設計分析

摘要

　　隨著便攜式終端產品處理能力的不斷提升以及功能的不斷豐富，終端產品的功耗也越來越大，因此待機時間就成為產品的關鍵性能指標之一。由于便攜式終端設備受到體積的限制，不能簡單地通過不斷增加單節(jié)鋰電池容量來延長待機時間，因此主電池+備電池的雙電池供電方案不啻成為延長待機時間的優(yōu)選方案。本文介紹了基于充電管理芯片bq24161 以及ORing 控制芯片TPS2419 的雙電池供電方案的設計，文中分析了雙電池供電方案的設計要求，給出了設計框圖以及原理圖，在此基礎上分析了充電管理電路、ORing 電路的具體設計方法，并且詳細分析了各部分電路的工作原理?；谒O計的電路，對其供電可靠性等性能指標進行了測試。測試內容包括在靜態(tài)負載電流以及動態(tài)負載電流條件下，備電插入、拔出過程中對系統(tǒng)供電可靠性的測試。測試結果表明：該方案能夠在備電插入、拔出過程中保證系統(tǒng)供電的可靠性，并且能夠對充電管理電路進行靈活管理，是一個適合于多種終端設備的雙電池供電解決方案。 

概述

　　當今智能手機、便攜式路由器等便攜式終端產品正朝著體積更小、厚度更薄以及重量更輕的趨勢發(fā)展。但是隨著便攜式終端產品處理能力的不斷提升以及功能的不斷豐富，其功耗卻越來越大。在電池技術沒有得到突破之前，主電池+備電池的雙電池解決方案就成為延長待機時間較好的方案。主電池設計在機殼內部，處于常在的狀態(tài)，備電設計在機殼外部，可以隨意拔插。基于主電池+備電池的結構特點，雙電供電方案的設計要求主要包括以下兩個方面： 

　　1) 備電池在拔插過程中要保證系統(tǒng)供電的可靠性；

　　2) 備電池通路與主電池通路之間不會相互影響；

　　3) 對主電池以及備電池可以進行靈活的充電管理。 

　　圖1 給出了基于bq24161+TPS2419 的雙電池供電方案的設計框圖。主電池與備電池的充電管理分別由兩片充電管理芯片bq24161 進行單獨控制。bq24161 是高集成度的帶有動態(tài)路徑管理功能（DPPM）的單節(jié)鋰電池充電管理芯片。主處理器與 bq24161 通過 總線進行通信，實現(xiàn)對主電池以及備電池的充電管理，其中包括對充電電流、充電電壓、狀態(tài)監(jiān)測與控制等功能的靈活控制。TPS2419 是適用于N+1 供電系統(tǒng)的ORing 電路控制器，它與低導通電阻N 溝道MOSFET 配合使用， 在獲得MOSFET 高效性能的同時，也提供了ORing 二極管反向電流保護功能。TPS2419 通過對電源電壓以及系統(tǒng)電壓的檢測來打開或者關斷對應通路MOSFET。一方面TPS2419 及時打開MOSFET 可以保證電源對系統(tǒng)供電的及時性和可靠性，另外一方面TPS2419迅速關斷MOSFET 可以防止及減小系統(tǒng)電壓到輸入端電源的反灌電流。ORing 電路冗余設計的特性保證了主電池與備電池電源通路互為備用的同時，也保證了備電插拔過程中系統(tǒng)電壓的安全性及可靠性。

圖 1 基于bq24161+TPS2419 的雙電池供電方案框圖 

電路設計方法分析 

　　電路設計原理圖

圖2 基于bq24161+TPS2419 的雙電池供電方案原理圖 

　　電路原理圖中U1、U2 是充電管理芯片bq24161，分別實現(xiàn)對主電池以及備電池的充電管理功能。U3、U4 是ORing 控制器TPS2419，實現(xiàn)主電池電源通路與備電池電源通路互為備用的雙電源供電結構。 

　　充電管理芯片bq24161 具有適配器檢測的功能，可以檢測到適配器的插入或者拔出。當插入電源適配器或者USB 充電線后，bq24161 會有相應的標志寄存器置位，由于默認配置下IN 輸入通道相對于USB 輸入通道享有更高的優(yōu)先級，因此電流會從IN 輸入通道提供。Host 可以通過I2C 接口讀取U1、U2 充電管理芯片內部寄存器的信息，并且通過I2C 接口實現(xiàn)對主電、備電充電管理的靈活控制。在使能充電之前需要配置的參數包括充電電壓、充電電流、充電終止電流、輸入限流、VIN-DPM的門檻值等。

　　Host 主機根據具體的需求控制U1、U2 充電使能或終止，可以同時使能主電、備電的充電，也可以控制主電、備電的充電優(yōu)先級。當同時使能主電、備電的充電，如果適配器的輸入電流能力能夠同時滿足主電、備電充電的需求，那么U1、U2 可以按照配置的充電電流給主電、備電同時充電。如果電源適配器的電流不能同時滿足充電的需求，bq24161 的VIN-DPM功能就會被激活，會自動減小輸入限流點以保證輸入電壓穩(wěn)定在所設置的VIN-DPM的門檻電壓，內部寄存器DPM_STATUS 位也會置位，此時主、備電的充電電流都不能達到設定的值，此時Host 主機可以控制主電、備電的優(yōu)先級，比如關斷備電充電讓主電先充電，主電充電完成后備電再開始充電。

　　U3、U4 是ORing 控制器TPS2419，實現(xiàn)主電與備電互為備用的雙電源供電結構。當備電作為系統(tǒng)供電電源時，在備電突然拔出的條件下，U3 能夠迅速打開主電通路以保證系統(tǒng)電壓的可靠性。當電壓較高的備電突然插入時，U4 會打開備電源通路，由備電提供系統(tǒng)供電。

充電管理電路設計

　　bq24161 是高度集成的開關型高效率單節(jié)鋰離子電池充電管理芯片，支持IN 和USB 雙通道輸入，最大充電電流可以達到2.5A。bq24161 具有基于輸入電壓的動態(tài)功率管理功能（Vin-DPM）和動態(tài)功率路徑管理功能（DPPM）。 其中VIN-DPM功能可以在充電器無法完全提供系統(tǒng)及充電電流能力的情況下，自動調整減小輸入電流門限值，使輸入端口電壓維持在一定的門檻值，防止適配器(或USB 電源)當機，另外Vin-DPM 的門檻值可以靈活地進行編程設置。因此，bq24161 可與具有不同電流能力的適配器(USB 電源)配合使用。在DPPM 功能中，若SYS 電壓由于負載原因跌落到最小系統(tǒng)電壓（VMINSYS），bq24161 會自動減小充電電流，以滿足系統(tǒng)的供電需求。如果充電電流減小停止充電后都滿足不了系統(tǒng)的供電需求，bq24161 會立即進入補電模式，即電池向系統(tǒng)放電來滿足系統(tǒng)負載的需求，從而保證系統(tǒng)電壓的可靠性以及系統(tǒng)正常工作。因此，bq24161 能夠在保證系統(tǒng)供電可靠性的條件下，實現(xiàn)對電池的靈活充電管理，并且能夠在電池過放或者電池不在位的條件下保證系統(tǒng)的正常供電。 

　　充電管理電路部分的線路設計主要包括U1 和U2。U1 實現(xiàn)對主電池的充電管理，U2 實現(xiàn)對備電池的充電管理，兩者充電管理部分設計參數基本相同，因此這里只對主電池管理電路即U1電路部分進行討論。 

　　當前市場上的終端產品大多對外只設一個接口兼容USB 和適配器電源輸入。 因此本文設計中IN 和USB 輸入端口是連接在一起的，主處理器可以通過內部寄存器來設置兩個電源輸入通道的優(yōu)先級來分別滿足適配器充電以及USB 充電的需求。由于bq24161 工作模式為開關型， 因此需要在IN 端口以及USB 端口分別就近連接1uF 的輸入電容到地作旁路濾波作用。 

　　對于功率電感的設計，bq24161 推薦的功率電感的選擇范圍為1.5uH~2.2uH，為了盡量地減小紋波電流、提高效率，本設計選取2.2uH 的電感，其峰值電流計算如下：

（1） 

　　取VINMAX =10V ，VOUT = 4.2V ， ILOAD(MAX ) = 2.5A計算峰值電流 IPEAK = 2.87A，因此選擇TDK LTF5022T-2R2N3R2 電感，其直流電流可以達到3.2A。

　　bq24161采用的是內部補償方式，為了保證其工作穩(wěn)定性，要求輸出電容在10uF~200uF之間，本設計中選取10uF的陶瓷電容作為輸出電容。為了盡量減小開關過程中高頻電流環(huán)路的面積，需要在PMIDI以及PMIDU引腳分別放置4.7uF的陶瓷電容。另外SYS引腳以及BAT引腳對地也需要放置1uF的陶瓷電容。另外如果設計場合對動態(tài)響應有要求，那么建議在SYS端對地增加容值至少為47uF的旁路電容，以提高充電管理電路動態(tài)性能。 

　　主處理器通過 總線與bq24161 之間進行通信，實現(xiàn)對相關控制寄存器及狀態(tài)寄存器的配置和讀取。STAT 引腳是一個開漏極輸出口，可以用來對bq24161 的工作狀態(tài)進行顯示，設計中可以用來驅動LED 燈來顯示不同的工作狀態(tài)，或者可以連接到主處理器的GPIO 口以供主處理器直接讀取。INT 引腳也是一個開漏極輸出口，可以與主處理器的外部觸發(fā)中斷相連，當報警發(fā)生時可以觸發(fā)主處理器的中斷，主處理器可以及時進行相應的報警處理。另外CD 引腳是硬件關斷控制，當為“高”時bq24161 會設置在高阻抗模式下，主處理器可以根據需要對CD 引腳進行靈活控制。

　　BGATE 引腳是用來提供PMOSFET Q1 的驅動信號，Q1 是可選擇性設計，主要目的是為了在電池放電條件下優(yōu)化放電通路的性能。Q1 與bq24161 內部的放電MOSFET 并聯(lián)使用，并聯(lián)后的導通阻抗更小，這樣就可以減小放電MOSFET 上的損耗，從而提高效率，延長產品的續(xù)航時間。 

　　本設計中，備電的充電管理電路硬件設計與主電相同，因此可以參考主電的設計方法進行設計。

ORing 電路設計

　　ORing 電路是通過兩片TPS2419 來實現(xiàn)的，TPS2419 是適用于N+1 供電系統(tǒng)的ORing 電路控制器，其精確的電壓檢測和可編程的關斷門限可以充分保證系統(tǒng)供電的靈活性和可靠性。其中A、C 引腳為電壓檢測輸入引腳，分別連接N-MOSFET 的源極和漏極，當母線電壓VC 低于供電電壓VA，并且滿足V(A-C)>65mV 時，TPS2419 會迅速打開外部的N-MOSFET 管。當母線電壓VC接近或者大于VA 供電電壓時，TPS2419 會迅速關斷外部的N-MOSFET，切斷母線電壓 VC 與供電電壓VA 的通路。TPS2419 的關斷門檻電壓差V(A-C)可以由RSET 引腳電阻設置，默認典型值為3mV（RSET 懸空）。 

　　下面在備電突然插入或者拔出的情況下，針對不同的條件對TPS2419ORing 電路的工作原理進行分析，圖3 是備電插入、拔出系統(tǒng)供電流程圖。 

圖3 備電插入、拔出系統(tǒng)供電流程圖 

　　當主電池給系統(tǒng)供電時，插入備電，如果備電電壓滿足VBAT2_SYS-VSYS>65mV, 那么備電的TPS2419 會打開外部的MOSFET，備電給系統(tǒng)供電，VSYS=VBAT2_SYS-Vdrop2，其中Vdrop2 是MOSFET 上的導通壓降。對于主電的通路來說，如果此時VBAT1_SYS-VSYS 滿足關斷條件，那么主電池通路的MOSFET 會關斷，由備電給系統(tǒng)供電，關斷過程中VSYS 電壓保持穩(wěn)定，能夠保證系統(tǒng)供電的可靠性。如果VBAT1_SYS-VSYS 不滿足關斷條件，那么主電的通路的MOSFET 仍然導通，此時主電備電的同時給系統(tǒng)供電。

　　當主電池給系統(tǒng)供電時，拔出備電，因為此時備電通路MOSFET 沒有打開，拔出備電對VSYS 沒有任何影響，VSYS 仍然由主電來提供。

　　當備電給系統(tǒng)供電時，拔出備電。在拔出備電的過程中VSYS 電壓會有下降的趨勢，當VSYS 電壓跌落到主電通路VBAT1_SYS-VSYS>65mV 的導通門檻時，主電回路的TPS2419會迅速打開MOSFET，VSYS 電流由主電池來提供，由于TPS2419 能夠迅速打開，因此在整個切換過程中能夠保證VSYS 供電的可靠性。

　　綜合以上幾種條件下分析，表明本文中TPS2419 設計實現(xiàn)的ORing 電路在備電突然插入或者拔出的情況下，能夠完全保證系統(tǒng)供電的可靠性。
下面先來分析討論一下主電通路TPS2419 電路的設計，如圖3 所示。

圖4 主電池通路ORing 電路設計 

　　TPS2419 的A、C 引腳電壓檢測輸入引腳，用來檢測外部MOSFET 上的壓降，分別連接MOSFET 的源極和漏極，分別連接470nF 的去耦電容。對于MOSFET 的選擇要考慮電壓等級、Rdson、尺寸、驅動電壓等級以及成本等因素。本設計中采用CSD16412Q5A 型N-MOSFET，其VDS 電壓等級為25V，RDS(on) 只有13mΩ 。為了最大程度減小對TPS2419 內部電源的干擾，BYP 引腳需要連接一個2.2nF 的去耦電容。GATE 引腳提供外部MOSFET 的柵極驅動信號，其強健的驅動能力可以使得TPS2419 在100-200ns 的時間里迅速的關斷外部MOSFET，為了防止過快的電流變化對電路的影響，需要GATE 引腳與MOSFET 的柵極之間串聯(lián)一個10 Ω ~200 Ω的電阻，本設計中選取30 Ω 電阻R13。RSET 引腳是用力設置MOSFET 的關斷門檻，如下式：

(2) 

　　負的關斷門檻可以防止由于總線上噪聲引起的誤關斷動作，但也會造成大的反向電流；正的關斷門檻可以防止或減小反向電流，但是對噪聲的敏感度高， 易在輕載時不斷關斷、重起。由于本設計是針對電池的應用，輸入電源噪聲很小，另外負載電流不太大，為了盡量防止反向電流引起的電池之間互充，可以設置關斷門檻為0mV，因此取。 

　　EN 引腳為TPS2419 的使能控制，為了最大限度的減小系統(tǒng)待機時候的靜態(tài)電流，當系統(tǒng)處于待機條件下OREN1 信號拉低，TPS2419 處于不使能狀態(tài)，靜態(tài)電流可以維持在最小，此時系統(tǒng)的供電經過肖特基二極管D2 來提供。 

圖4 是備電通路TPS2419 電路的設計

圖5 備電池通路ORing 電路設計 

　　備電池通路與主電池通路TPS2419 電路設計基本相同，只是MOSFET 管的設計稍有區(qū)別。對于相同部分的電流這里不再贅述，只對MOSFET 部分進行分析討論。如果在應用中需要關斷備電池的放電，如果選用單MOSFET 的設計，當OREN2 設置TPS2419 處于不使能狀態(tài)時，如果備電池電壓高于VSYS 時，電流就會從外部MOSFET 的體二極管流向VSYS，從而不能斷開備電的放電，因此這里需要采用對管的結構，這樣就可以完全切斷備電放電的通路。

實驗結果分析

　　測試電路在靜態(tài)負載以及動態(tài)負載不同負載條件下，系統(tǒng)供電電壓VSYS 的穩(wěn)定性以及VBAT1_SYS 與VBAT2_SYS 之間是否相互影響： 

　　電不在位，主電提供系統(tǒng)電壓VSYS，VBAT1_SYS>VBAT2_SYS 條件下插入備電。過程中不存在主電、備電切換供電過程，測試VSYS 電壓的穩(wěn)定性以及備電對主電通路的影響；

　　備電不在位，主電提供系統(tǒng)電壓VSYS，VBAT1_SYS

　　備電在位，主電提供系統(tǒng)電壓VSYS，VBAT1_SYS>VBAT2_SYS，拔出備電。過程中不存在主電、備電切換供電過程，測試VSYS 的穩(wěn)定性以及備電對主電通路的影響；

　　備電在位，備電提供系統(tǒng)電壓VSYS，VBAT1_SYS

　　下面分為靜態(tài)負載電流以及動態(tài)負載電流兩種情況，在不同工作條件下測試系統(tǒng)電壓VSYS的穩(wěn)定性以及VBAT1_SYS 與VBAT2_SYS 之間是否相互影響，其中：CH1-VSYS，CH2-VBAT1_SYS，CH3-VBAT2_SYS，CH4-ISYS。

　　持續(xù)負載電流條件下測試

　　測試方法：VSYS 系統(tǒng)供電端上加恒定3A 靜態(tài)電流負載，在主電、備電供電條件下，測試備電插入、拔出過程中VSYS 電壓的穩(wěn)定性和穩(wěn)定性。 

圖6 靜態(tài)負載備電插入 (VBAT1_SYS>VBAT2_SYS)

圖7 靜態(tài)負載備電插入 (VBAT1_SYS 

圖8 靜態(tài)負載備電拔出( VBAT1_SYS>VBAT2_SYS) 

圖9 靜態(tài)負載備電拔出( VBAT1_SYS 

　　測試結果表明：在靜態(tài)電流負載條件下，備電的插入、拔出能夠保證系統(tǒng)電壓VSYS 電壓的穩(wěn)定性以及供電的可靠性，另外備電的插入、拔出不會對主電電源產生影響。 

動態(tài)負載電流條件下測試

　　VSYS 提供功率放大電路電源，功放工作在最大功率發(fā)射條件下，動態(tài)負載電流在0~3A 之間持續(xù)變化，高低電流的持續(xù)時間均為500us，電流變化率為1A/us。測試備電插入、拔出過程中VSYS 供電的可靠性。

圖10 動態(tài)負載備電插入 (VBAT1_SYS>VBAT2_SYS)

圖11 動態(tài)負載備電插入 (VBAT1_SYS 

圖12 動態(tài)負載備電拔出 ( VBAT1_SYS>VBAT2_SYS)

圖13 動態(tài)負載備電拔出 ( VBAT1_SYS 

　　測試結果表明：在動態(tài)電流負載條件下，備電的插入、拔出能夠保證系統(tǒng)電壓VSYS 電壓的穩(wěn)定性以及供電的可靠性，另外備電的插入、拔出不會對主電電源產生影響。 

總結

　　本文主要分析了基于bq24161+TPS2419 的雙電池供電方案的設計方法，并且針對不同的應用場景進行了測試分析，測試結果表明該方案能夠滿足雙電池供電系統(tǒng)的要求，能夠應用于智能手機、WIFI Router 等多種便攜式終端產品。 

參考資料

　　1. bq24161 Data Sheet (slusao0)

　　2. TPS2419 Date Sheet (slva998b)