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2.2 充电管理电路设计

bq24161 是高度集成的开关型高效率单节锂离子电池充电管理芯片，支持IN 和USB 双通道输入，最大充电电流可以达到2.5A。bq24161 具有基于输入电压的动态功率管理功能（Vin-DPM）和动态功率路径管理功能（DPPM）。 其中VIN-DPM功能可以在充电器无法完全提供系统及充电电流能力的情况下， 自动调整减小输入电流门限值，使输入端口电压维持在一定的门槛值，防止适配器(或USB 电源)当机，另外Vin-DPM 的门槛值可以灵活地进行编程设置。因此，bq24161 可与具有不同电流能力的适配器(USB 电源)配合使用。在DPPM 功能中，若SYS 电压由于负载原因跌落到最小系统电压（VMINSYS），bq24161 会自动减小充电电流，以满足系统的供电需求。如果充电电流减小停止充电后都满足不了系统的供电需求，bq24161 会立即进入补电模式，即电池向系统放电来满足系统负载的需求，从而保证系统电压的可靠性以及系统正常工作。因此，bq24161 能够在保证系统供电可靠性的条件下，实现对电池的灵活充电管理，并且能够在电池过放或者电池不在位的条件下保证系统的正常供电。

 

充电管理电路部分的线路设计主要包括U1 和U2。U1 实现对主电池的充电管理，U2 实现对备电池的充电管理，两者充电管理部分设计参数基本相同，因此这里只对主电池管理电路即U1电路部分进行讨论。

 

当前市场上的终端产品大多对外只设一个接口兼容USB 和适配器电源输入。 因此本文设计中IN 和USB 输入端口是连接在一起的，主处理器可以通过内部寄存器来设置两个电源输入通道的优先级来分别满足适配器充电以及USB 充电的需求。由于bq24161 工作模式为开关型， 因此需要在IN 端口以及USB 端口分别就近连接1uF 的输入电容到地作旁路滤波作用。

 

对于功率电感的设计，bq24161 推荐的功率电感的选择范围为1.5uH~2.2uH，为了尽量地减小纹波电流、提高效率，本设计选取2.2uH 的电感，其峰值电流计算如下：

 

取VINMAX =10V ，VOUT = 4.2V ， ILOAD(MAX ) = 2.5A计算峰值电流 IPEAK = 2.87A，因此选择TDK LTF5022T-2R2N3R2 电感，其直流电流可以达到3.2A。

 

bq24161采用的是内部补偿方式，为了保证其工作稳定性，要求输出电容在10uF~200uF之间，本设计中选取10uF的陶瓷电容作为输出电容。为了尽量减小开关过程中高频电流环路的面积，需要在PMIDI以及PMIDU引脚分别放置4.7uF的陶瓷电容。另外SYS引脚以及BAT引脚对地也需要放置1uF的陶瓷电容。另外如果设计场合对动态响应有要求，那么建议在SYS端对地增加容值至少为47uF的旁路电容，以提高充电管理电路动态性能。

 

主处理器通过 I2C 总线与bq24161 之间进行通信，实现对相关控制寄存器及状态寄存器的配置和读取。STAT 引脚是一个开漏极输出口，可以用来对bq24161 的工作状态进行显示，设计中可以用来驱动LED 灯来显示不同的工作状态，或者可以连接到主处理器的GPIO 口以供主处理器直接读取。INT 引脚也是一个开漏极输出口，可以与主处理器的外部触发中断相连，当报警发生时可以触发主处理器的中断，主处理器可以及时进行相应的报警处理。另外CD 引脚是硬件关断控制，当为“高”时bq24161 会设置在高阻抗模式下，主处理器可以根据需要对CD 引脚进行灵活控制。

 

BGATE 引脚是用来提供PMOSFET Q1 的驱动信号，Q1 是可选择性设计，主要目的是为了在电池放电条件下优化放电通路的性能。Q1 与bq24161 内部的放电MOSFET 并联使用，并联后的导通阻抗更小，这样就可以减小放电MOSFET 上的损耗，从而提高效率，延长产品的续航时间。

 

本设计中，备电的充电管理电路硬件设计与主电相同，因此可以参考主电的设计方法进行设计。

 

1.  ORing 电路设计

 

ORing 电路是通过两片TPS2419 来实现的，TPS2419 是适用于N+1 供电系统的ORing 电路控制器，其精确的电压检测和可编程的关断门限可以充分保证系统供电的灵活性和可靠性。其中A、C 引脚为电压检测输入引脚，分别连接N-MOSFET 的源极和漏极，当母线电压VC 低于供电电压VA，并且满足V(A-C)>65mV 时，TPS2419 会迅速打开外部的N-MOSFET 管。当母线电压VC接近或者大于VA 供电电压时，TPS2419 会迅速关断外部的N-MOSFET，切断母线电压 VC 与供电电压VA 的通路。TPS2419 的关断门槛电压差V(A-C)可以由RSET 引脚电阻设置，默认典型值为3mV（RSET 悬空）。

 

下面在备电突然插入或者拔出的情况下，针对不同的条件对TPS2419ORing 电路的工作原理进行分析，图3 是备电插入、拔出系统供电流程图。

图3 备电插入、拔出系统供电流程图

 

1. 当主电池给系统供电时，插入备电，如果备电电压满足VBAT2_SYS-VSYS>65mV, 那么备电的TPS2419 会打开外部的MOSFET，备电给系统供电，VSYS=VBAT2_SYS-Vdrop2，其中Vdrop2 是MOSFET 上的导通压降。对于主电的通路来说，如果此时VBAT1_SYS-VSYS 满足关断条件，那么主电池通路的MOSFET 会关断，由备电给系统供电，关断过程中VSYS 电压保持稳定，能够保证系统供电的可靠性。如果VBAT1_SYS-VSYS 不满足关断条件，那么主电的通路的MOSFET 仍然导通，此时主电备电的同时给系统供电。

 

1. 当主电池给系统供电时，拔出备电，因为此时备电通路MOSFET 没有打开，拔出备电对VSYS 没有任何影响，VSYS 仍然由主电来提供。

 

1. 当备电给系统供电时，拔出备电。在拔出备电的过程中VSYS 电压会有下降的趋势，当VSYS 电压跌落到主电通路VBAT1_SYS-VSYS>65mV 的导通门槛时，主电回路的TPS2419会迅速打开MOSFET，VSYS 电流由主电池来提供，由于TPS2419 能够迅速打开，因此在整个切换过程中能够保证VSYS 供电的可靠性。

 

综合以上几种条件下分析，表明本文中TPS2419 设计实现的ORing 电路在备电突然插入或者拔出的情况下，能够完全保证系统供电的可靠性。