五、路径管理所谓的路径管理其实不是充电管理的问题，它是系统设计的问题。对于使用电池供电的系统来说，是否需要在充电的同时让负载处于工作状态，这对系统的设计影响巨大。考虑路径管理问题，就是考虑如何让电能进入电池，又如何从电池向负载供电，考虑是否要让外部电源直接为负载供电，考虑在外部电源不足以满足负载需要、充电需要或是两者的共同需要时，到底要如何做的问题。没有电源路径管理功能的充电管理器件都是比较简单的，其充电电路通常如下图所示：
图十六、以RT9526为例的常见的充电电路 这个电路截取自RT9526的规格书，我估计这已经是最简单的充电管理器件了，必要的电流设定和状态指示是用户可以和它打交道的地方，其它的规格都被IC内部的设计限定死了。 对于这样的简单系统，其负载通常只能和电池直接连接在一起，其连接方法就和图中的电容COUT一样——和电池并联在一起，但由于充电器件、电池和负载是一个个挨次连接起来的，来自外部电源的电流必须经过充电管理器件、电池以后才能进入负载，我们习惯于把这种连接法称为串联连接。对于那种外来电源不经电池就能进入负载的连接方式，我们把它称为并联连接，前文给出的RT9503A应用电路图就是并联连接的典型，当外部电源接入时，电流经IC内部路径为电池进行充电，也同时经外部连接的二极管和MOSFET串联路径流入负载。 串联连接非常简单，只要电池中有足够的电能，负载就能直接工作，成本也低，所以被广泛使用。它的唯一缺陷是当电池电能不满足负载的需要时，负载无法进入工作状态，这种状况在现实中经常遇到：以手机为例，大部分在电池用尽而插入充电器充电时，有一段时间是无法开机的，必须等电池电压高于一定的水平，才能开机让负载进入工作状态。为什么会这样呢？很简单，因为一般锂离子电池的可使用电压范围为3.0V~4.2V，可是很多负载要求的工作电压为3.3V，而大部分系统采用的供电器件都是降压型的稳压器，所以一旦电池电压低于某个值，3.3V的输出电压就无法保证了，这时候就不得不等待充电过程将电池电压提升到一定的水平后再开机。 让电池电压在整个可用范围内都可使系统工作的设计通常需要可以自动升降压的Buck-Boost型器件，例如RT6150系列的器件就可以解决此问题，但这属于另一个话题了，我们暂且打住不表。 锂离子电池的放电过程通常不在充电管理系统的管辖之下，但对于某些应用来说，无论充电器容量如何，也不管电池处在什么状况下，都会要求由电池/充电器供电的系统部分永远处于工作状态下，这时候，具有动态电源路径管理功能的充电管理器件就是必须的配置，它能将输入电流自动地在负载和电池之间进行分配并优先满足负载的需求，同时又将尽可能多的电能送入电池中；更进一步的做法是当输入电源不能满足负载需求时，自动将电池加入供电源行列，与外部电源一起共同为负载供电，确保负载能够正常工作。这里的陈述是以让负载能够工作作为优先考虑的状况，如果把优先顺序设定为充电优先，设计就会完全不同。 本文前面提到的RT9503A是具有路径管理功能的一个例子，但它的功能相对简单：当外部电源接入时，由此电源同时给充电部分和系统部分供电（这要求外部电源要有足够的负载能力）；当外部电源撤离时，自动切换到由电池为系统供电的状态。这种方式存在一个缺陷：在外部电源接入和撤离的瞬间，供给系统的电压会有比较大的跳变，这种跳变对于负载部分使用的稳压器件来说可能是一个挑战，它也可能输出一个比较大的跳变，对于某些系统来说，这可能是一个不能接受的特性。 前文提到过的RT9519A是一个具有自动路径管理的功能的器件，同时也还支持众多的功能，如前文提到它时所谈的JEITA规范支持能力，为了让我们能更好地理解路径管理功能，我们转而介绍另外一个简化了很多的器件：RT9525。下图是它的应用电路图：
图十七、RT9525应用电路简图 从图上看，它的使用很简单。来自电源适配器或USB接口的5V电源接入VIN端，电池连接在BAT端，TS端仍如别的器件一样连接热敏电阻用于决定什么情况下不能对电池进行充电，连接在ISETA端的电阻RISETA设定充电电流的大小（其中的字母A暗藏了一个信息：它设定的是电源适配器（Adapter）供电时的电流），CTIMER是用于决定最长充电时间的，SYS端是连接负载的地方，SYSOFF这个端子则是用于决定要不要让电池给负载供电的输入端。EN端居然有3个，其实只有第4脚是用于使能IC的，另外两个是用来设定输入电流限制值的，其对应关系如下： 表二、RT9525的EN1/EN2状态与输入电流限制值之间的关系
这是针对不同的输入电源时的设计，后面我们可以看到90mA和475mA的设计其实就是用于USB输入时满足USB规范的，而1.5A的规格则很显然是针对电源适配器输入的。当某一个电流限制值被设定以后，输入电流最大就只能是这么大，我们需要用这个电流去满足电池充电和负载供电的需求，怎样在电池和负载之间分配这受限的电流？当这电流不能满足负载需要时怎样将电池的电能取出来弥补其不足？这就是路径管理要解决的问题。我们先看看这路径是如何建立的，这可以从IC的内部电路框图中看出来：
图十八、通过RT9525的内部框图来看路径管理的实现 上图中最上面的两只MOSFET构成了我们要的路径，它们将VIN、BAT和SYS端连接起来。在实际工作时，这三个端子处的电流、电压状况和关系在规格书中有清晰的呈现：
图十九、RT9525在输入电流限制模式下各端子电流和电压之间的关系 这个图是在USB 500mA模式下的状况，也就是当输入电流限定为500mA时的表现。规格书中也提供了1.5A模式下的表现，但两者其实是一样的，只是因为电流限制值不同，造成相应的其它电流值有不同，实质是完全一样的。图中根据不同的电流搭配和变化状况将其表现分为7种情形，分别以T1~T7予以标识，在这7种情形下各端子的电流电压状况被整理在下述表格中： 表三、RT9525在输入电流限制模式下各端子电流和电压之间的关系
从中可以看到，路经管理系统会把输入电流优先向负载供应，当输入电流满足不了负载的需要时就会把电池纳入供电行列，但只要负载的消耗一旦降低，它就会把剩余的电流导入电池通道为电池充电，当然了，这要看电池充电部分是否需要那么多电流。 六、USB接口规范、限制和识别将含有USB接口的设备接入主机时，规范要求在设备有效以前最多只能从主机的USB电源总线VBUS上获取100mA电流，设备通过验证以后可以获取最大500mA的电流。当含有锂离子电池的设备要利用USB接口为电池充电时，它也必须符合这一规范的要求，而这一任务就落在了充电管理器件的头上。有的人可能会认为100mA和500mA的电流限制是USB主机能给出来的电流最大值，这其实是个错误的认识，电流的大小永远都是由负载决定的，作为供应方的主机能做的最多是限制最大电流输出能力，并借此防范可能的风险，立锜科技有很多所谓的功率开关（Power Switch）可用于这一目的，有兴趣的可以参考RT9715的规格书，这是其中的一款典型型号。 前文提到的RT9525的USB100和USB500模式就是用来帮助设备去符合规范要求的设计，在这两种模式下，RT9525最多只能吸入90mA和475mA的电流。 充电器件怎么能知道现在为我供电的电源是来自USB端口而不是电源适配器呢？在电源的供、需双方之间能够借助电源线建立起通讯管道以前，这是一个要另外解决的问题。 几年前，当中国的手机充电器规范建立起来时，它是这样来做的：在结构上采用USB接口的结构，利用USB的数据线端子“D+”和“D-”来传递信息，只要这两个端子之间是短路的，这就表明供电端是电源适配器。这个方法和标准的USB信号端子不一样，USB是用来传递数据的，端子的内部连接的是运算放大器的输入/输出端，具有较高的阻抗，不可能表现为短路状态。所以，只要我们向D+/D-之中的一个端子注入一个电流，然后又能在另外一个端子上接收到这个电流，那我们就知道这两者之间是短路的，这就说明这个电源供应器是电源适配器了，反之则可以被认为是标准的USB端口。支持USB-OTG应用的RT9451的USB侦测功能就是这样实现的，但并不是市场上的每一个充电IC都具有这一功能，立锜科技的产品也是这样，大多数都不具备这一功能。 当使用没有USB端口侦测功能的充电IC但又要完成这一功能时，就只能依靠其它做法来实现了，这对拥有USB通讯功能的系统来说不是难事，但这不属于我们现在要谈的内容，就此打住。 七、端口的过压、过流保护几乎在所有的充电管理器件应用中，它们都处在系统的最外围接口部分。外部电缆在这里反复地插拔，电流在这里通通断断，虽然大多数外接的电源都是5V的设计，但实际出现的电压可能是千差万别的，尤其是在进行插拔操作时和电流变化时，高于设定电压的高压冲击难以避免。为了避免这一高压对系统可能带来的损害，Richtek的大多数5V供电的充电管理器件都增加了过压关断保护和28V以上的过压耐受能力，前者确保高电压不会进入系统造成危害（大多数过压关断保护都发生在6V左右），后者则确保充电管理器件本身不会因过压而受损。 对于那些采用只能承受较低冲击电压的充电管理器件来说，外加过流、过压保护器件是必要的选择，这时候，可以考虑如RT9718这样的集成化端口保护器件，它集成了过热保护、过流保护、过压保护和电池电压过压保护四种保护功能，当任何一种意外发生时，它都能在确定的时间内将外部电源和内部系统之间的联系切断，确保系统的安全，当然，它也同时具有耐受高达28V电压冲击的能力，确保自身不会被轻易损坏。
图二十、过压保护IC在锂离子电池管理系统中的位置 上图是RT9718在应用中的电路连接关系图。其中的电阻RILIM用于设定容许的最大通过电流，所以过流保护点是可设定的；过压保护电压值则是由具体型号决定的，这在型号定义规则中予以体现：
图二十一、RT9718的型号定义规则——不同的过压保护值由不同字母代表 RT9718对过压状况的响应是极快的，最多1μs，输出即被关断，以防高电压对后续电路造成危害。输出电压回落至低于OVP电压100mV后，延时8ms，如果一切正常，开关将重新打开为后续电路供电。 对于电流过大的状况，RT9718的响应时间是180μs，这是为了避免误动作的发生，只有持续性的过流才是它要避免的状况。过流保护的恢复时间是64ms，如果过流发生了16次，开关将永久性断开，直至重新发生POR才会恢复输出。 RT9718对电池电压的过压检测是通过VB端实现的，其保护电压阈值是4.35V。在这个端子和电池之间串连了一只电阻RVB，这个电阻对电压保护阈值和端子的漏电大小有影响。为了降低电阻造成的保护电压阈值变化量，电阻应该比较小，但小电阻会加大漏电流，所以需要折中选择这个电阻的值，它的建议值在200kΩ~1MΩ之间。同样地，每一次电池电压过压保护的发生都需要过压状况持续了180μs以上才会被触发，它也只能被容许发生16次，然后就处于永久性的保护状态，直至POR发生之后才会重启输出。 过热保护(OTP)的发生和IC的外部状况无关，只要它的内部温度达到140°C，保护动作就会发生，输出被终止，直至温度下降20℃以后，重新进入工作状态。 除了OTP以外，其它每一种保护的发生都会导致WRN端的状态改变，系统设计者可以利用这个信号了解问题状况并采取相应的措施去解决问题。 八、线性充电与开关式充电在任何情况下，只有外来电源形成的电压高于电池电压，电流才能进入电池实现充电目标，所以几乎所有的充电用电源适配器输出电压都是高于电池最高电压的。但我们通常并不能将外接电源直接接入电池进行充电，这将导致电流不可控的结果，这也是为什么会有充电管理器件的存在的原因。 要在外接电源和电池之间构成恒流、恒压控制电路，最简单的做法是采用线性恒流、恒压源，这也是为什么线性充电管理器件使用得比较多的原因。将最简单的RT9526的应用电路图和内部电路框图截取下来看看（见下图），我们就能看到它的实际使用状况：
图二十二、由RT9526应用电路图和内部框图示范的线性充电电路实现方法 很显然，IC内部的从VIN到BATT端之间的MOSFET构成了外部电源和电池之间的调整元件（这和线性稳压器非常相似），它在完成调整任务的同时，也是一个很讨人厌的热源地——VIN和电池电压之间的电压差乘上流过它的充电电流形成的功耗在这里转化为热量，这是一种浪费，对某些系统来说可能还是个灾难，这在电池电压偏低、电源电压偏高时尤为严重。为了解决这一问题，最简单的做法是降低输入电压（让输入电压略高于电池电压是最好的做法）、降低充电电流，但降低输入电压可能造成电池充不满的问题（这个做法还常常无法实施，或许有一天会出现自动调整的电源来满足这一需要），降低充电电流则会造成充电时间过长的问题。 解决效率和热问题的另一种做法是弃用线性恒流、恒压源，改用开关型转换电路，前面提到过的RT9451就是采用了Buck架构的充电电路，这使得它的最大充电电流达到了4A这样的水平，而且它的最高输入电压可以达到12V，如果线性系统要在这样的条件下工作，其最大发热量将高达27W以上，一般的系统根本无法承受。 Richtek的另外一个充电产品系列——RT9531/RT9535/RT9538——也是采用了Buck架构的充电电路，但其可工作输入电压则更高，为28V，可以为多节锂离子电池串联的电池组进行充电，也可以和其它任何种类的可充电电池配合工作。 采用开关型充电电路的最大好处是提高了效率，因为它将原来采用线性充电电路时浪费了的能量充分利用了起来。假设我们以USB500模式对输入电流进行设限，输入电压仍是5V，电池电压是3.3V，若以线性方式进行充电，则充电电流最大就是500mA，此时的输入功率是2.5W，输出功率是1.65W，此时有0.85W功率被浪费掉了，而且造成了热问题。如果改用开关型充电电路，假设其转换效率为95%，则输出功率可达2.5Wx95%=2.375W，充电电流就可以达到2.375W/3.3V ≈ 0.72A，这意味着在同样的输入电流限制下，充电速度加快了，而且发热量极小，只有0.125W。 |
