Transcript 开关式充电电流
锂离子电池管理中的 问题与解决方案 郑刚 2014年8月 CONFIDENTIAL 以电池为核心的移动系统 Charger • OVP AP PMIC Linear Switching Charger Charger • Charger • MUIC • WLED Driver Gas gauge OVP Boost LDO Backup Charger Buck MUIC BB PMIC Micro USB VCO Battery LDO Buck • Audio Codec • Buck PA buck Protect IC • LDO Sub PMIC LDO Vibrator LED driver (Boost, Charge pump, current source) LCD LED Flash Keypad LED LED Audio Codec Buck Buck LDO Multimedia codec Audio Amp LDO 2 简化的锂离子电池应用系统 3 锂离子电池的特性 4 CONFIDENTIAL 锂离子电池的等效电路 End-of-Discharge Voltage • • • • • Qmax：最大化学容量 EDV：放电终止电压 Quse<Qmax Quse 决定于 IR 电压降 和 EDV RBAT 随寿命增长 5 CONFIDENTIAL 电池的寿命 Qmax 衰减 • 极低电流放电 • 特性几乎恒定不变 • 最大容量降低极小 阻抗增加 • 正常电流放电 • 特性变化明显 • 随寿命不同，同样电流导 致的影响不同 66 CONFIDENTIAL 放电电流对容量的影响 4.3 4.2 4.1 4 3.9 3.8 3.7 3.6 3.5 3.4 3.3 3.2 3.1 3 2.9 2.8 2.7 2.6 2.5 100mA 10mA Discharge capacity (mAh) 7 750 700 650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 500mA 0 Battery Voltage (V) Asus/720mAhr CONFIDENTIAL 4.3 4.2 4.1 4 3.9 3.8 3.7 3.6 3.5 3.4 3.3 3.2 3.1 3 2.9 2.8 2.7 2.6 2.5 720mAhr 950mAhr 920mAhr 1500mAhr 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400 1450 1500 1550 1600 Battery Voltage (V) 开路电压(OCV) vs 放电容量 Discharge capacity (mAh) 8 CONFIDENTIAL OCV vs DOD 4.3 4.2 4.1 4 3.9 3.8 3.7 3.6 3.5 3.4 3.3 3.2 3.1 3 2.9 2.8 2.7 2.6 2.5 720mAhr 950mAhr 920mAhr 1500mAhr 1.Batteries with distinct capacity DOD 1 0.95 0.9 0.85 0.8 0.75 0.7 0.65 0.6 0.55 0.5 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 2.Normalized to their own Qmax 0 OCV (V) OCV vs DOD(放电深度，以其 Qmax归一化) 9 CONFIDENTIAL 电池充电电压与容量和寿命的关系 10 CONFIDENTIAL 电池充电电流与电池寿命之间的关系 阻抗增加 11 CONFIDENTIAL 温度、DOD 和 RBAT 的关系 • 温度升高导致电池内阻降低 (NTC) / 深度放电导致内阻提高 12 最后的屏障 锂离子电池的保护 1 3 保护电路 14 保护电路IC内部框图 15 充电策略及其实现 三阶段策略 17 充电IC分类 线性充电IC • • • • • • • RT9502 RT9503A RT9521 RT9532 RT9532H RT9536 SS6000 LDO ACIN /USB + Err. Amp. & Gate Driver COUT + Batt. Current Limit Buck 开关式充电IC • RT9450A • RT9451(12V，4A ) • RT9531/5/8(30V) + ACIN /USB Err. Amp. & Gate Driver COUT + Batt. Current Limit 18 线性充电 电流限制 LDO Precharge Fast-Charge CV Charge Done CV ACIN /USB + Err. Amp. & Gate Driver COUT Current Limit + Batt. CC VSHORT EOC ISHORT 调整目标： 1. 充电电流 (CC) - 不同阶段有不同的电流限制 2. 电池电压 (CV) 3. 发热状况 具有可调电流限制的线性稳压器 Battery Voltage Battery Current 19 线性充电的特点 1. 2. 3. 4. 5. 易于控制 低噪声 外部元件少 大量功率消耗在MOSFET上 (导致电池发热、降级) 电流越大，消耗越大 适合于低容量电池应用 20 开关式充电 (电流放大器) VIN=5.0V, VBAT=3.3V, Icharge=1.25A 能量流动方向 Buck Vin 5.0V + Err. Amp. & Gate Driver COUT + Current Limit 调整目标： 1. 充电电流/ 输入电流限制 (CC) - 电流限制 2. 电池电压 (CV) 3. 发热状况 具有可调电流限制的Buck型降压电路 21 开关式充电与线性充电的差异 输入电流限制 模式 充电电流调整 模式 • 恒功率 充电 • 恒定IBAT 充电 • VBAT↑ IBAT↓ • VBAT ↑ IIN ↑ • 通常IBAT > IIN limit • 充电曲线与线性充电相同 (IBAT>500mA when USB500) Buck Vin 5.0V + Err. Amp. & Gate Driver COUT + Current Limit 22 开关式充电的充电曲线 Precharge Fast-Charge CV Precharge Charge Done Fast-Charge CV Charge Done CV CC 输入 电流 受限 充电 电流 调整 VSHORT EOC ISHORT Linear Charge Linear Charge PWM Charge Battery Voltage PWM Charge Battery Current USB 输入 (5.0V,500mA) 线性充电电流=500mA；开关式充电电流=(500mA / D) =833mA (D=0.6) ~ 595mA (D=0.84) 在输入限流情况下充电更快 (不考虑电池发热问题, IC<1C) 23 1500mAH电池充电曲线比较 节约 11% 时间 @ 终止充电电流= 100mA 开关式 USB500 1500mAhr 线性 24 开关式充电IC的逆应用——支持OTG VBAT=3.8V, OTG=5.0V, Load=0.15A 能量流动方向 Boost 5.05V OTG Devices Err. Amp. & Gate Driver COUT + Current Limit 25 开关式充电的特点 1. MOSFET功率消耗少 2. 大电流充电效率高 3. 低输入电流应用时，充得更快 4. 支持USB-OTG设备 (Boost模式) 5. 控制结构复杂 6. 有开关噪声 (EMI 问题) 7. 外部元件多 Sync. Buck & LDO ACIN /USB + Err. Amp. & Gate Driver COUT + Batt. Current Limit 26 温度对充电策略的影响 温度对电池容量、电压的影响 28 RT9525应用电路 29 温度测量电路的参数计算 30 JEITA规范 31 RT9519A应用电路 32 RT9519A的温度检测方法和JEITA支持方法 33 RT9528应用电路 34 RT9528内部电路框图 35 RT9528的固定温度检测点 36 通过修改寄存器改变冷热判断温度 37 温度对输出的影响——通过TS电压触发 38 路径管理问题 3 9 输入、充电器、电池和负载之间的关系 40 串联 负 载 电流先经过电池，再进入负载 41 并联 负 载 电流同时进入电池和负载；自动切换；电压有跳变。 42 自动路径管理 负 载 负载优先！ 43 RT9525内部框图(部分) 44 RT9525的输入电流限制 45 APPM的表现形式 46 让开关型Charger实现APPM 负 载 47 动态功率管理(DPM)——MIVR 接系统 当电源供电能力低于系统和充电之需时，DPM起作用： 输入电压降低，调整目标变成稳定输入电压至设定值。 48 测试模式 4 9 CONFIDENTIAL RT9532的测试模式 • 输入限流模式(AICR) Factory：工厂模式/测试模式 USB100：95mA 无需电池(No EOC) USB500：395mA 输出电流最大 2.3A I Set：up to 1.2A 没有热调整 需要有电池或电池模拟器以防止 进入EOC状态。 方便测试 50 RT9450A的测试模式 No Battery 无需电池，自动输出4.3V电压，负载能力2.3A，不做热管理 51 电池电量计 了解电池充放电状况的工具 5 2 CONFIDENTIAL OCV vs DOD 4.3 4.2 4.1 4 3.9 3.8 3.7 3.6 3.5 3.4 3.3 3.2 3.1 3 2.9 2.8 2.7 2.6 2.5 720mAhr 950mAhr 920mAhr 1500mAhr 1.Batteries with distinct capacity DOD 1 0.95 0.9 0.85 0.8 0.75 0.7 0.65 0.6 0.55 0.5 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 2.Normalized to their own Qmax 0 OCV (V) OCV vs DOD(放电深度，以其 Qmax归一化) 53 电池在实际系统中的放电曲线 VBAT (mV) Actual Voltage Curve of Phone Discharge 4400 4300 4200 4100 4000 3900 3800 3700 3600 3500 3400 0 1 2 3 4 Time (h) 电流！电压！时间！容量！ 54 电量计概览 方法 优势 劣势 OCV 表检索 •只测电压，不测电流 •查表法，容易实施 •动态负载下 SOC 不准确 库仑计 •报告剩余电量(mAh) •报告 SOC(%) •能补偿动态负载影响 •单次放电SOC精度高 •需要充满/放空学习周期 •需要电流检测电阻 •计量误差会累积 •自放电导致误差 动态电压模型 •无需学习周期 •无需电流检测，直接报告 SOC(%) •无累积误差 •动态负载下响应速度慢 •不能报告剩余电量（无电流 信息和容量信息） 库仑计 + 动态电压模型 •报告剩余电量(mAh) •省略学习曲线 •报告SOC(%) •无累积误差 •需要电流检测电阻 55 OCV 表检索 • 优势 • 容易实施，无需复杂算法 • 劣势 • 充、放电下误差巨大 • 不同负载下误差巨大 • 仅适合要求不高的应用 充电、放电电压不同 不同负载下电压不同 Charge Discharge Light Load Heavy Load 56 库仑计方式电量计 57 库仑计方式的误差累积和修正 58 动态电压模型的实现 •RT9428 根据电池电压确定SOC，其算法是基于电池电压的迭代模型 (VoltaicGaugeTM)。 •基于电压的算法可以得到平滑的SOC信息，不存在由电流和时间造成的累积误差。 VBAT 12-bit ADC Battery OCV Model I2C Interface VoltaicGauge Algorithm Controller SDA SCL ALERT 59 电量计的优化过程 VBAT (mV) Actual Voltage Curve of Phone Discharge 4400 4300 4200 4100 4000 3900 3800 3700 3600 3500 3400 0 1 2 3 4 Time (h) 60 实际表现 61 RT9428 概要 • 特点 • 系统侧电量计 • 基于动态电压模型(VoltaicGauge TM ) 算法的精确相对容量(RSOC) • 无需充满/放空学习周期 • 平滑的SOC信息，无累积误差 • 不需要电流检测电阻 • 低电量报警 • 低功耗(22mA/1mA) • I2C接口 • WL-CSP-8B封装 • 应用电路简图 62 RT9420 概要 • 特点 • =RT9428 • WDFN-8L封装 • 应用电路简图 63 过流、过压保护 过压保护在系统中的位置 Charger AP PMIC Linear Switching Charger Charger Gas gauge OVP Boost LDO Backup Charger Buck MUIC BB PMIC Micro USB VCO Battery LDO Buck Protect IC PA buck Authentication Sub PMIC LDO Vibrator LED driver (Boost, Charge pump, current source) LCD LED Flash Keypad LED LED Audio Codec Buck Buck LDO Multimedia codec Audio Amp LDO 65 RT9718 ——过压保护IC 集成4种保护功能 • 输入电压过压保护 • 电池过压保护 • 可设定过流保护 • 过热保护 66 VIN OVP 1 2 3 8ms 1. 过压发生，开关断开。响应时间1ms。 2. 过压结束，定时开始。 3. 恢复时间到，开关重启。 67 电池OVP 3 1 2 1. 电池发生过压状况(4.35V) 2. 持续180ms后开关断开（电压回落30mV后恢复） 3. OVP连续发生16次后，开关永久性截止，直至POR 68 OCP 1 3 2 64ms 1. 过流状况持续180ms，开关截止。 2. 64ms恢复时间后，开关重启。 3. 过流连续发生16次，开关永久性截止，直至POR。 69 关键参数 70