简化1节锂离子电池供电设备的设计

目前，任何便携电子系统都要求低成本、小尺寸、轻便。而为板上子系统设计电池充电及供电电路时，用电源管理IC可以方便地实现上述功能。这类的器件有很多，比如Maxim公司的MAX8671X，其可以从USB口或外部交流适配器获取电源，为锂离子或锂聚合物电池充电。除了充电功能外，该器件内部还集成了用于USB和直流输入的过压保护开关，5路独立的片上稳压器，这一组合大大减少了电路板的外部元件数量。

因为MAX8671X可以无缝管理USB和交流适配器电源，使得制造商能够省去AC/DC墙上适配器充电零配件，从而降低了系统成本。其集成了众多功能：电池充电器、适配器-USB-电池开关、系统电压调节以及各种检测功能（见图1）。5路独立的集成稳压器(3路2MHz开关降压型调节器，效率高达96%；2路低静态电流的线性稳压器)可以为多个子系统提供高效供电。

图1 MAX8671X内部结构

高度集成减少电源切换造成的混乱
MAX8671X PMIC集成了DC/USB输入过压保护、单节Li+电池充电器以及电池和外部电源之间负载切换所需的功率开关。集成开关和调节器可以省去外部MOSFET以及杂乱的电压检测器、电流检测电阻、比较器、定时器以及其他常见的用于电源监测和切换的分立元件。

MAX8671X的智能电源选择器(Smart Power Selector)能够在外部输入、电池和系统负载之间无缝切换(见图2)，选择器操作如下。

图2 智能电源选择器控制功率开关MOSFET(Q3)

1 当两个外部电源(USB或交流适配器)与电池连接时，如果系统(SYS)负载电流小于输入电流的限制，输入电源在保证系统供电的前提下为电池充电。如果系统负载超过了输入电流限制，电池可以补充SYS负载电流(ISYS)供电不足的部分，避免出现复位。

2 如果系统只连接了电池，没有连接外部电源，系统由电池供电。

3 如果连接了外部电源，没有连接电池，系统将由外部输入电源供电。

某些情况下，适配器或USB所能提供的电流可能不足以支持系统的峰值负载。为了解决这个问题，当系统负载峰值超出所选择的输入电流限制或在DC或USB输入端没有连接电源时，集成的低RDSON MOSFET在内部将电池连接到SYS引脚，有电池为负载供电。如果系统负载连续超出输入电流的限制，即使连接了外部电源也不会给电池充电。通常情况下，只在峰值负载瞬间才会发生重载情况，这种情况在大部分设计中不会存在太久。出现峰值负载期间，电池将给系统供电；其他时间，电池充电。

除了给电池充电，MAX8671X通过SYS输出和多个内部稳压器给系统供电。IC的充电电流同样取自SYS节点。当然，输入电流门限控制了总体SYS电流(比如，ISYS和电池充电电流之和)。

SYS可由DC或USB输入引脚供电(如果没有连接外部电源时则由电池供电)。如果DC和USB都连接了电源，优先选择DC输入供电。设计人员可以选择USB和交流适配器作为MAX8671X的输入电源，也可以选择两者之一供电。逻辑输入PEN1和PEN2用来选择双输入、单输入的正确限流。DC输入电流门限可调至1A，DC和USB输入都支持100mA、500mA和USB挂起模式。

合理设计稳压器以延长电池使用寿命
MAX8671X内部的5路高效稳压器都具有低功耗特性，可有效延长电池使用寿命。除了重载情况下保持高效外，稳压器在轻负载时也可以保持较高效率，从而进一步提高电池寿命。因为子系统工作时可能有几百毫安的峰值负载，而大部分时间的负载电流远远低于这一数值。因此在这样一个系统中，针对平时较低的负载电流进行优化，而不是优化在最高负载，有助于进一步延长电池使用寿命。

很多便携式系统多数时间处于“睡眠”状态。如果稳压器只是在满负荷时具有高效(>90%)，而在空闲模式下效率较低(60%)，这种稳压器可能会很快耗尽电池能量。MAX8671X稳压器有效解决了这一问题，在重载(可为系统负载提供最大425mA)下效率可达96%，当负载电流只有1mA时仍可保持高达85%的效率。

3路可调节开关稳压器(REG1、REG2和REG3)均可提供最大425mA的电流，开关频率为2MHz，大大减小了外部电感和电容尺寸的要求。由外部电阻设定每路稳压器的输出电压。

其余2路稳压器(REG4和REG5)为低压差(LDO)线性稳压器，可提供最大为150mA的电流。REG5为系统的USB收发器供电，只有在连接USB电源的情况下才工作。REG4在没有DC或USB电源的情况下由电池供电。这两个LDO有助于延长电池寿命，为系统设计人员提供了灵活性。由于它们可以接受较宽的输入电压范围(1.7～5.5V)，可进一步降低功耗。最小1.7V的输入电压使这些LDO可以从某个降压型DC/DC转换器的输出(而不是直接由电池)供电。

内部电池充电器管理
PMIC的双输入充电器部分可以接受USB电源或交流适配器供电。由于集成了智能电源选择技术和用于管理充电过程的状态控制逻辑，能够完成所有电源控制和充电功能。图3所示为充电曲线。为了支持各种不同的电池容量，充电电流最大可调节至1A。

图3 充电曲线

充电器使能后，电池在有效的DC和/或USB输入下开启一次充电周期。首先检查电池电压，确定电池是否处于深度放电(电压低于预设阈值3.0V)。如果电池处于深度放电，充电器将进入安全预充模式，电池以快充电流的1/10充电。一旦电池电压超过3.0V，充电器将进入快充模式，以设定的电流为电池充电。

随着充电的继续，电池电压上升到电池的满充电压(通过BVSET引脚选择)，充电电流开始逐渐下降。当充电电流下降至所设定的快充电流的4%时，充电器进入短暂的浮充模式，然后终止充电。充电停止后，如果电池电压随后下降到电池满充电压下120mV，将重新开始充电，定时器复位。这可以保证电池在任何时间都维持或在接近满充状态，而且不会出现过充。

充电速度由下面几个因素决定：电池电压、USB/DC输入电流限制、充电电流设置电阻(RCISET)、ISYS以及管心温度。MAX8671X为了防止输入过载和过热，可自动将充电电流降至某个低于所设置的充电速率的数值。

从USB端取电
MAX8671X的USB引脚为限流电源输入，为SYS端提供最大500mA的电流。连接USB和SYS的限流开关也是一个工作在降压模式的线性稳压器，即使在USB输入发生故障达到14V的情况下，这个线性稳压器也能防止SYS电压超出5.3V。

USB引脚在应用中通常连接到USB口的VBUS线。它通过第二个电源使能(PEN2)和USB挂起(USUS)数字控制输入支持USB规范的限流设置，可以设置在三种电流限的一种。对于低功率USB模式，限流为100mA；对于大功率USB模式，限流为500mA；对于USB挂起和未配置的On-the-Go(OTG)模式，限流为0.11mA(典型值)。
当USB输入电压低于欠压门限(VUSBL：4V，典型值)或低于电池电压时，认为输入电源失效，将被关闭。同样，如果USB输入电压高于过压门限(VUSBH：6.9V，典型值)时，也被关闭。

为了满足高速USB规范，每个连接设备都必须在内部配置为低功率模式。USB枚举过后，如果得到USB主机的容许，设备可以从低功率切换到高功率。MAX8671X不进行枚举，但它依靠系统与USB主机进行通信。主机会决定正确的电流限制，并通过PEN1、PEN2和USUS输入发送命令。

内部热管理
MAX8671X包含热管理功能，即使在散热条件不理想的小型手持设备中也能够避免过热。当管芯温度超过+100℃时，它会按照5%/℃降低输入电流。任何情况下，ISYS的供电优先级高于充电电流，所以，降低输入电流时首先降低的是充电电流。如果充电电流降低后，结温仍然达到+120℃，则不再从输入电源吸取电流，由电池为系统负载供电。片内温度限制电路与热敏电阻输入(THM)无关，工作过程也相互独立，THM输入一般使用外部热敏电阻监测电池温度(典型应用)。