新型的笔记本电脑电源管理技术  

    新型的笔记本电脑电源管理技术


传统的笔记本电脑电源架构
笔记本电脑的电源部分可分成两大部分:锂离子电池组及充电线路和系统供电电路。因为笔记本电脑不能直接使用交流电,所以外部还需要一个电源适配器,通过它将交流电转化为稳定的直流电。当直流电进入笔记本电脑之后,会兵分两路,一路直接输送到系统内置的DC/DC变送器中,经过变压处理,给各单元供电;另一路则会进入锂离子电池充电线路,对锂离子电池充电。锂离子电池组一般采用四串二并或三串二并的结构,其所需的电压为9~16.8V,而电源适配器所输出的电压多为19V,为了兼顾这两部分的不同要求,电源的设计者就要将笔记本电脑的输入电压限定在7~21V。
这样就会产生两个问题:第一是输入电压的范围过宽,很容易降低效率,并增加系统发热量,给系统带来隐患。第二是锂离子电池组所需的电压与系统电压不同,使设计人员在设计电源适配器的时候,要在系统的峰值功率上再加上充电功率,系统的功耗因此会被提升。
新型的电源管理架构
要解决上面的问题,光靠修修补补是无济于事的,必需要在结构上动大手术。为此,许多公司都开发出了新的电源架构。这里,我们以O2Micro公司的OZ875x为例来进行说明。该系列芯片采用了一种名为Cool Charge Topology(CCT)的拓扑结构。这种结构的最大特点就是适配器的输出电压会同锂离子电池组的电压保持一致,其原理架构如图1所示。
 
图1 OZ875x原理图
实现的关键就是电池组管理芯片将能够主动地调节适配器的输出电压,使其同样输出9~12.6V的电压,这样就能减小电脑输入电压的范围(具体的拓扑见图2)。当然,该架构还使得系统电路板的面积得以减小,降低了系统的成本。从图2可以看出,由于采用新的设计,OZ875x芯片可为系统节省两个外部MOSFET。同时,外部输入电容和MOSFET的规格也相应的降低了。因为如果笔记本电脑的输入电压为21V,输入电容就要有25V,而MOSFET就要有30V。而新技术将最大输入电压降低到了12.6V,对电容和MOSFET的要求也就相应降低了。这种架构的最后一个好处是扩大了对适配器的选择范围,因为由电池组管理芯片来调节适配器的输入电压,我们可以不再考虑适配器的种类。


图2 OZ875x架构图
其他的电源芯片公司也在推出自己的新产品,比如,Linear的LTC4062、MAXIM的MAX1533A/MAX1537A、TI的bq24060等,因篇幅有限,这里就不一一介绍了。
再加一层防护锂离子电池的能量密度是很高的,这既给系统带来了充沛的活力,又给系统造成了安全隐患。前不久发生的笔记本电脑电池爆炸事件就是一个很好的佐证。
对于锂离子电池来说,问题多发生在充放电这个环节,除了过度充电和过度放电以外,充电中的过电流充电和过电压充电也对电池的伤害很大。以往,老式的芯片注重对温度的监控,但温度的变化只是一个表象,电流和电压的异常才主要的原因。能在充电过程中做到对电压和电流的精密监控才是真正的未雨绸缪。现在,新式的芯片已经具备了防范过电流和过电压充电的功能。以OZ875x为例,当充电电压高于这个电压的时候,它会控制外部的MOSFET关断,停止电池的充电活动;它还设有一个监测电阻,用以侦测充电电流。当其上的电压超过一个临界值的时候,芯片也会同样停止对电池的充电行为。
有了具有保护功能的充电器芯片,再加上锂离子电池自身的防护电路,这样就能给笔记本电脑加上双保险。
电池的新角色
对于传统类型的笔记本电源电路来说,适配器的选择是很严格的,功率较小的适配器往往会因为功率不足而拒绝给笔记本电脑充电。而新型充电器芯片的出现则解决了这个问题,还以OZ875x为例(见图2),因为电池组的电压与适配器的输出电压是相等的,当笔记本电脑需要瞬间的大功率而适配器不能满足时,电池组会自动向系统供电;而当电脑不再需要这些电能的时候,适配器会再次向电池进行充电。从这方面来看,新型的充电器芯片使锂离子电池组扮演了一个“消防队员”的角色。

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