PMIC內建動態電源路徑管理功能 行動裝置電池充電效率大增
在可重複充電電池的行動裝置中，內部電源充電IC一般能以鋰電池的恆定電流與恆定輸入電壓來調節充電。現在這些IC也執行包含動態電源路徑管理的優化充電程序。
至今已有各式各樣應用電源路徑管理的拓撲被使用。藉由選用最有效率的拓撲，電源系統設計人員可以提供最好的用戶體驗，同時盡可能地減少電池負擔。
本文說明最佳拓撲結構是如何操控動態電源路徑，以及如何應用於高度整合的電源管理單元(PMU)，為電源系統的問題提供節省空間的解決方案，並為電子書閱讀器、平板電腦與媒體播放器等裝置提供新的充電器設計。
動態電源路徑管理有效延長電池使用期
電池充電是再簡單不過的功能。當裝置連到通用序列匯流排(USB)連接埠或AC轉接器(Adapter)時，就開始充電；連接充電器也會啟動系統，並從外部電源擷取電力，以供應系統負載與充電器電路。
獨立電源路徑(Separate Power Path)是用於供應系統，而非在電池充電時獲得電力，所以能讓電池保持最短的電源充電週期。充電與放電過程皆會讓電池耗損，每顆鋰電池的充放電循環都具有已知的一定故障率。避開不必要的自電池汲取電源，電源路徑管理有延長電池週期的效果。
電源路徑管理有額外的優點，它能隔離電池與系統供電電壓，這表示使用者毋須等到電池充電完畢，當輸出電壓上升至最小臨界值時，裝置就可以立刻開啟。
如圖1所示，在電池路徑管理最簡單的形式中，兩個ORing二極體將電池與系統負載隔離開來。這讓系統在插入外部電源時開啟，毋須等到電池達到最小電壓臨界值。
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| 圖1 具電源路徑管理、最簡單的拓撲，其使用兩個ORing二極體。 |
此電路設計具有諸多缺點，最明顯的是蕭特基(Schottky)二極體的功率損失，從圖1可見，由於二極體D2特別耗電，因此當系統以單獨電池運作時會浪費電池功率。
一個較不明顯的缺點是電池充電器會不顧D1供應系統負載、直接試著充電。如果裝置以500毫安培(mA)電流透過USB連結埠連接，電池充電器能輕易獲取所有電流，而達不到系統供電的任何要求。更糟糕的是，當達到電流極限時，會造成USB連結埠降低電池電壓，進而違反USB規格。
以一個PowerPath FET(圖2中的M1)取代二極體是正確的第一步。透過PowerPath FET在電池與輸出間建立低阻抗連結，當來源被移除時即能啟用電池充電與立即開機。
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| 圖2 當系統以電池運作時，以MOSFET開關取代圖1的二極體以節省電源。 |
如果系統負載的電流超過供電電源能提供的範圍，電池可透過PowerPath FET補償差額。現在D1移除後，簡易的電流限制可以在充電IC內設定，防止USB連結埠崩潰。
但是另一個問題產生了，當電流極限防止USB連結埠下降至低於最低電壓規格時，它不會提供電池充電電路能優先滿足系統需求的方法。顯然使用者偏好在慢速充電的費用下享受系統最好的性能，不會為了加速充電導致增加電力系統成本。
「動態電源路徑管理」是能夠解決此需求的設計。動態電源路徑管理是以電源可用總功率與衡量系統需求來動態調節放電電流的方法。整體目標是當與外部電源連結時全面運作系統，同時將電源使用降至最低。
圖3所顯示的電路同時包含外部與內部PowerPath FET，提供一種達到電源路徑管理的方法。外部PowerPath FET並非是必需的，支援高系統負載且需要大量散熱的應用裝置將受益於它的包容性。當與充電器斷開時，所有系統電流會由電池供應。
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| 圖3 同時包含內外部PowerPath FET的電源路徑管理電路 |
圖4則顯示當裝置與外部電源連接時，充電器與系統皆由預調節器供應。預調節器的輸出電壓與電流限制皆可從設定中去配置。當系統電流上升時，電池充電電流會自動下降，以維持預調節器設定的整體電流限制。這是動態電源路徑管理的操作模式。
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| 圖4 當系統負載低時，可利用低於電源電流限制的頂部空間供應電源給電源充電器。 |
如圖5，當電池充滿電時，電池開關是打開的。系統現由預調節器供應，免去電池放電的需求，並能延長週期。
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| 圖5 當電池充滿電時，充電器開關打開，同時在連接外部電源時沒有電流從電池流出。 |
圖6顯示，若系統電流(A線)大於外部電源設定的電流限制，電池提供的額外電流(B線)會透過PowerPath FET(以電池開關與理想二極體顯示)供應給系統。當達到程序電流限制時，VSUP_CHG會稍微下降以低於電池電壓，讓電流從電池流向系統，同時保護充電電源免於失調。
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| 圖6 當系統負載大於外部電源的電流限制時，可從電池透過外部開關獲取額外電流。 |
採用高整合PMU/PMIC 動態電源路徑管理效率提升
採用高整合PMU/PMIC 動態電源路徑管理效率提升
像是平板電腦這樣的消費性行動電子設備，在空間上是受到限制的。因此，此類裝置的電源系統通常會採用PMU，或電源管理IC(PMIC)，以在單一晶片上提供降壓與升壓轉換器。
為減少電路板占用面積以及簡化電源系統設計，開發人員希望能整合充電電路至同一電路板上，若是以前文所提的拓撲來進行電源路徑管理，有辦法達成嗎？
如圖7所示，使用者可藉由採用PMU如AS3711，進行動態電源路徑管理，其可用於媒體播放器與平板等行動消費裝置並整合優化拓撲的電路板。
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| 圖7 AS3711電路板中的充電電路可提供動態電源路徑管理。 |
AS3711將兩個1安培(A)降壓轉換器、一個1.5A降壓轉換器、一個3A降壓控制器、八個穩壓器(LDO)、兩個升壓控制器，與一個1.5A開關式電池充電器整合至7毫米(mm)×7毫米封裝中。
一個直流對直流(DC-DC)開關充電器提供一個比線性充電器效率更高的充電方法，能降低輸入電流需求。較低的充電電流留下更多來自外部電源的輸入電流(VSUP供應)以便系統負載使用。
開關充電器的效率較高，可進一步降低放電時的熱功率消耗。值得注意的是，AS3711也提供30伏特(V)過電壓保護區域，以及可配置電流限制的預調節區域，以設定VSUP_CHG軌道的輸出電壓，同時在0.1?2.5A之間有十六種不同的電流限制選項。
採用整合充電器的電路板而非獨立充電IC的話，設計人員能夠降低解決方案尺寸與成本。此外，一個暫存器圖形可設定與監控所有系統導軌與充電需求。AS3711的GUI讓它容易配置電池充電功能與其他所有電路板電源區域(圖8)。
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| 圖8 AS3711電路板的GUI介面 |
圖7中所有的區塊可在AS3711的GUI中編寫程式，為涓流充電(Trickle Charging)、恆定電流充電、定壓充電、超時充電、溫度監控、可選擇電流限制與外部過壓保護進行配置設定，選擇線性或開關式電池充電。
如文章所述，當動態電流路徑與外部電源連接時，能降低電池耗損與提供最佳系統性能。
這也在系統負載超過外部電源的電流限制時，讓電池做為輔助電源。這表示設計人員可以指定一個更小、更便宜的電源轉接器，為獨立的充電需求提供較小的電流能力，而非同時為電池充電與系統峰值負載提供較大的電流能力。
藉由整合PMIC與動態電源路徑管理，電源系統設計人員也可體驗以下優勢：
最新行動裝置PMIC的使用者皆可受益於這些優點，因為這些PMIC可提供低功耗，改變供應充電器的電流以因應系統電源需求的變化。
