笔记本电脑转接器

前言
在商用笔记本电脑设计中，需要两节或两节以上电池供电，以延长系统的整体使用时间。设计中，需要充电控制及快速切换电源的机制，不仅使电池达到满充状态，更重要的是能够判断电池是否存在，剩余电量是否在有效范围内，据此做出电池与适配器之间的快速切换。所以，充电器与电源选择器的选用非常关键。特别是一些商用型计算机需要支持航空适配器，航空适配器直接与飞机上的直流电源连接，电压一般为15.5V(大约12~16V)，输出功率低于笔记本电脑的交流适配器。所以，当选用航空适配器供电时不能为电池充电，只能为负载供电。本文具体讨论商用笔记本电脑的电源选择器设计。

航空适配器的充电限制
图1为充电器、选择器的典型电路，图中采用了MAX1772充电器和MAX1773选择器。笔记本电脑交流适配器电压一般在18~20V，而航空适配器电压为12~16V(15.5±0.5V)，因此，设计适配器输入电压在17V以上时为电池充电，在17V以下禁止充电。图1中，AC IN用于检测输入电压，交流适配器电源就绪(AC OK)检测门限设为17V，插入航空适配器时，AC OK将输出高电平，系统判断为不满足充电条件，通过控制ICTL引脚禁止MAX1772充电。

航空适配器放电控制
在笔记本电脑设计中，选择器需要完成两组电池和适配器的侦测及快速切换，MAX1773A能够为多电源系统提供有效的控制逻辑，可直接驱动P沟道MOSFET，根据这些电源的存在与否和电池状态选择适当的电源供电。正常操作时，如果交流适配器电压超过电池电压，且高于4.75V，MAX1773A将选择交流适配器供电；若此时电池连接到系统中，则MAX1773A允许电池充电。采用4节电池供电时，电池电压高于航空适配器电压，需要适当设计完成电源的选择。
窗比较器设计
图2所示电路为系统采用一组电池的电源切换方案，MAX1773A根据交流适配器输入(ACDET)、电池输入(BATA)及电池温度调节输入(THMA)判断适配器及电池是否接通、电压是否在有效范围内，TCOMP端判断电池是否存在，MINV端检测电池电压是否在适用范围内。R1、R2、R3、R4及比较器1、2、3用于检测交流适配器电压是否在12.5~17.5V范围(航空适配器范围)内。注意，图2中比较器为漏极开路输出，比较器1设定12.5V低临界点，当适配器电压超过12.5V时，该比较器输出为高电平。比较器2设定17.5V高临界点，当适配器电压高于17.5V时，比较器输出也为高电平。如果适配器电压在12.5~17.5V范围内，将选择适配器为系统供电，而且禁止电池充、放电，这就需要将TCOMP端的电压设置在THMA及THMB端电压以下，使MAX1773A做出电池不存在的判断，从而允许适配器供电。为了达到这一目的，R7及R9串联在电池与THMA、THMB之间，R5在比较器3输出为低电平时与R11并联。
假设电池A存在，对应的THMA电压为：

RTHM为电池内阻，假设为300mW(Li+)或10kW(NiMH)，则THMA电压为2~2.35V，若航空适配器存在，则比较器3输出低电平，TCOMP电压为：

低于VTHMA，则MAX1773A判断电池A不存在，适配器为系统供电。当适配器电压比17.5V高或比12.5V低(不存在)时，比较器3输出为高阻抗，TCOMP电压为：

高于THMA电压，MAX1773A处于正常工作状态。
图3给出了电池存在时，插入航空适配器后电源切换的波形。当航空适配器插入时，PDS端的外接MOSFET导通，经过1.3ms延迟，TCOMP电压从3V降到1.57V，COMA控制其外接MOSFET关闭，航空适配器为系统负载放电。

如何避免“先通后断”
上述应用有一个潜在问题，当电池电压大于12.5V低临界点时，如果移开交流适配器，COMA的外接MOSFET会在切换适配器的MOSFET完全关闭前2ms导通，造成“先通后断”，此时电池会把ACDET引脚拉高，使得窗比较器错误地判断适配器又再度连接到系统上，导致系统电源波动，图4给出了这种情况下的波形。
这种情况下，需要提前断开PDS外部的MOSFET，图5所示电路增加了NA1、RA1、RA2、RA3及PA1，利用窗比较器级的漏极开路输出，经过NA1、PA1驱动会迅速断开适配器的切换开关，动作要比窗比较器的第二级输出快，从而避免了“先通后断”现象。
需要注意的是，PA1必须有足够的驱动能力，使PDS的外接MOSFET关闭。

航空适配器与两组4节电池供电选择
在图2设计中，利用TCOMP电压比THM低的原理，选择航空适配器为负载供电，该方案适用于一组4节电池供电的情况。采用两组电池供电时，MAX1773A需要另外的设计考虑。采用同样的设计思路，即使插入航空适配器后，TCOMP电压比THMA/THMB低，但MAX1773A只是在ACDET电压低于两组电池电压时禁止电池放电，但PDS的外部MOSFET不会导通，使航空适配器通过MOSFET的体二极管放电。为了解决这一问题，需要在ACDET产生较高电压，使MAX1773A判断交流适配器电压高于电池电压，将PDS MOSFET置为导通状态，图6利用电荷泵提供了一个解决方案。该电路在判断航空适配器插入后，利用MAX1999或MAX1631电荷泵在MAX1773A的ACDET端产生Vin + 5V的电压，使MAX1773A控制PDS MOSFET导通。

结语
在笔记本电脑设计中，需要快速、安全的控制器处理两组电池与适配器的充电及放电，利用MAX1773A选择器，配合适当的外围电路设计，能够符合航空适配器等特殊应用的要求。结合MAX1772或MAX1908充电器，可以构成笔记本电脑电源管理的完备方案。■