电池充电器功能与充电拓扑结构的详解

   在《为工业应用选择正确的电池充电器》中，我们讨论了独立与主机控制的充电器和外部与集成开关FET。现在让我们来看看不同的充电拓扑结构。

　　首先，我们必须更好地理解电池充电器功能：动态电源管理（DPM）和动态电源路径管理（DPPM）。这两个功能与充电拓扑结构密切相关，同样重要。不同的拓扑结构决定了DPM和DPPM性能以及与所选不同元件相关的总成本。对于低功率应用，NVDC充电器以其较低的成本和DPM/DPPM功能引起了人们的关注。对于更高功率的应用，则选择传统的充电拓扑结构以降低功耗。

　　具有更高输出额定值的适配器通常更贵。为了降低成本，您可能想使用额定值较低的适配器，但这样做需要带有基于电流的DPM功能的充电器，以防止适配器过载。此保护是为了防止总系统负载和电池负载超过适配器可以提供的总功率。例如，bq24133等具有基于电流的DPM的充电器可以处理宽输入电源而不会发生过载（图1）。

　　图1：基于电流的DPM

　　为了获得峰值系统性能，还需要DPPM功能，以便充电器可以以补充模式工作，使电池可以通过电池FET为系统提供电源，而不是必须充电（图2）。在设计时，应该考虑性能和成本之间的权衡。更高的性能通常与更高的成本相关。诸如TI的bq24610等充电器控制器具有DPM和DPPM控制，可支持高达10A的充电电流。

　　图2：DPPM电流路径示例

　　已经对DPM和DPPM有了更好的理解，我们现在可以探讨充电拓扑结构。三种常见的充电拓扑结构是传统拓扑结构，混合拓扑结构和窄VDC（NVDC）拓扑结构。

　　对于传统拓扑结构充电器如bq24170、同步开关模式独立电池充电器和bq24725A SMBus充电控制器，系统轨可以达到适配器电压。如果从电池操作，系统电压可以低至电池电压。高压输入源可能导致系统轨的大幅摆动（图3）。使用此拓扑结构的优点是系统从输入源可以获得功率。其缺点是解决方案总成本高，因为元件需要处理高功率，所以更贵。

　　图3：传统充电拓扑结构

　　在一些应用中，系统仅需要峰值功率输送。设计用于正常运行的适配器不能满足峰值功率需求，而且传统的充电拓扑结构不允许电池在补充模式下工作提供额外的功率。这一问题的解决方案是混合充电拓扑结构，如图4所示。

　　图4：混合充电拓扑结构

　　在混合充电拓扑结构中，电池可以以升压模式中向系统提供额外的功率用于峰值功率输送。bq24735和bq24780S等电池充电器IC属于这一类拓扑结构。混合充电拓扑结构也称为“涡轮增压”模式。这种拓扑结构在笔记本电脑应用中非常流行。

　　传统和混合充电拓扑结构都需要系统轨来处理与输入源相同的高电压。然而，在一些应用中，系统轨需要采用较低额定值的元件以降低成本。在这种情况下，可以考虑bq24770或bq24773等产品中含有的NVDC拓扑结构，通过控制电池FET使系统电压与电池电压非常接近，如图5所示。

　　图5：NVDC充电拓扑结构

　　在设计充电系统时，必须平衡性能、功能和解决方案成本。选择正确的拓扑结构和设备可以实现更高的效率，同时保持的解决方案成本。