AN193 - 如何选择 MP2760 的BATFET

用例

By Tessie Zhan

每月为您发送最具参考价值的行业文章

我们会保障您的隐私

摘要

科技的快速发展让人们对便携式设备的要求越来越高，更长续航时间、更短充电时长，还要求更低的系统电压 (V_SYS)。要实现更短充电时长，必须在热损耗容许范围内提供更高充电电流 (I_CHG )；而更低V_SYS和精确的I_CHG 要求则促使更多制造商在电池充电应用中采用窄电压直流 (NVDC) 架构。

MP2760 是一款支持I²C接口控制的 1 至 4 节电池升降压充电IC，具有 NVDC 电源路径管理功能。该器件可通过电池场效应晶体管 (BATFET) 驱动器控制外部 N 沟道 MOSFET，以调节系统最小电压 (V_{SYS_REG_MIN}) ，同时提供电池补充功能。BATFET的选择很重要，因为其特性会对I_CHG 产生影响。

本应用说明将讨论MP2760的功能特性以及 I_CHG与 BATFET 特性之间的关系，同时提供BATFET的选择设计示例。

简介

MP2760 利用 BATFET 驱动器（通过 BGATE 引脚）来支持 NVDC 电源路径管理功能。即使电池电量耗尽，该器件也能将系统电压调节至 V_{SYS_REG_MIN}。

图1显示了MP2760的NVDC电源路径管理结构。

图1：MP2760的NVDC电源路径管理结构

MP2760 具有可配置V_{SYS_MIN}。当 V_BATT < V_{SYS_REG_MIN}（其中 V_{SYS_REG_MIN} = V_{SYS_MIN + VTRACK} ）时，BATFET 驱动器可控制充电电流环路（包括涓流充电、预充电和线性恒流充电），确保V_SYS被调节为 V_{SYS_REG_MIN}。

当 V_BATT > V_{SYS_REG_MIN}时，BATFET 完全导通，充电电流环路（开关恒流充电）和电池电压环路（恒压充电）通过升降压变换器的脉宽调制 (PWM) 控制实现。 V_SYS 始终跟踪实际电池电压，但受 V_TRACK 限制高于 V_BATT。

图 2 为系统电压调节示意图，其中 R_{SYS_BAT} 是系统和电池之间的总电阻。

图2：系统电压调节示意图

图 3 显示了 MP2760 的充电曲线。

图3：完整充电周期曲线

方法详述

线性充电电流

当 V_BATT 低于 V_{SYS_REG_MIN}，BATFET工作于线性区。在单电池应用中，电荷泵由 V_CC 供电；该电源源自内部 LDO 输出，可为内部电路提供 3.6V 电压。电荷泵的输入电压决定了其最大输出电压 (V_CP )，该电压将通过电流源驱动外部 BATFET。

电流源的输出阻抗 (Z_ISRC) 应为几百 kΩ，，电荷泵的输出阻抗 (Z_{O_CP}) 则应在几kΩ到几十kΩ之间。如果所选BATFET的栅源阈值电压 (V_{GS_TH}) 导致电流源的直流电压偏置不足（约2V），则 Z_ISRC 将降至几十kΩ；而由于环路增益不足，I_CHG 也将降至低于其配置值 (I_{CHG_CONF})。因此，选择合适的BATFET以提供所需的最小充电电流 (I_{CHG_REQ})很重要，尤其是对单电池应用而言。

图 4 中的简化功能框图显示了单电池应用中 BATFET 线性导通环路。

图 4：单电池应用中的BATFET 线性导通环路简化功能框图

如图5所示，当 I_{CHG_CONF} 设置为 1A 时，MP2760 的 I_CHG与 BATFET 栅源电压 (V_GS)之间的关系反映了单电池应用的驱动能力。在 2至4节电池应用中，电荷泵输入足够高，因此驱动 BATFET 的电流源不会饱和。本应用说明仅提供单电池应用中的BATFET 选择指导。

图 5：MP2760的I_CHG 与BATFET V_GS 之间的关系 (I_{CHG_CONF} = 1A)

图6展示了与上图对应的三种不同N沟道MOSFET的传输特性。

图 6：MP2750 BATFET 采用不同类型 MOFSET 线性工作时的预估I_CHG(I_{CHG_CONF} = 1A)

根据上图可估算出采用不同类型MOSFET时的BGATE引脚电压(V_BGATE)和I_CHG 值。表1列出了 V_GS 和 I_CHG 估值，以供选择具有最佳传输特性的MOSFET。

表 1：Estimated V_GS 和 I_CHG 估值^{(1) (2) (3)}

V_BGATE 漏电流 (μA)	V_TH 低阈值采样		V_TH 典型样本		V_TH 高阈值采样
V_BGATE 漏电流 (μA)	V_GS (V)	I_CHG (A)	V_GS (V)	I_CHG (A)	V_GS (V)	I_CHG (A)
0	1.86	0.95	2.29	0.8	2.74	0.55
3	1.86	0.95	2.29	0.8	2.73	0.52
20	1.85	0.85	2.26	0.6	2.69	0.32

注:

以上估值基于 1A 的I_{CHG_CONF}。如果 I_{CHG_CONF}增加 500mA ，实际 I_CHG也会增加约 500mA。
本应用说明仅针对单电池应用。
如果BGATE存在任何外部漏电流 (I_LKG)，例如由BATFET 的栅源放电电阻 (R_GS )引入，则结果会有不同。

如果所选MOSFET 不足以使 I_CHG达到 I_{CHG_REQ} ，可采用以下方法：

提高V_TRACK，使传输特性曲线左移，以提高 BATFET 的漏源电压 (V_DS ) ，从而提高I_CHG。注意，V_TRACK不能设置得太高，因为VDS越高，BATFET 产生的额外损耗也越高。
设置更高 I_{CHG_CONF} 以满足最低 I_CHG 要求。

开关充电电流

当 V_BATT 超过 V_{SYS_REG_MIN}时，BATFET 完全导通，其线性导通环路将不会影响 I_CHG。但 I_CHG 仍受 V_TRACK限制，，其计算公式(1)如下：

$$ I_{\text{CHG}} = \frac{V_{\text{TRACK}}}{R_{\text{SNS}} + R_{\text{DS(ON)}} + R_{\text{PCB}}} $$

其中， R_SNS 为 I_CHG 采样电阻，R_DS(ON) 为 BATFET 完全导通时的导通电阻， R_PCB 为 PCB 寄生电阻。

根据公式 (1)， R_DS(ON) 必须满足公式 (2) 估算的约束条件：

$$ R_{\text{DS(ON)}} < \frac{V_{\text{TRACK}}}{I_{\text{CHG_REQ}}} - R_{\text{SNS}} - R_{\text{PCB}} $$

如果 BATFET R_DS(ON) 不够低，则可以通过 I²C 将 V_TRACK 设置得更高，以确保满足I_{CHG_REQ}。

设计示例

本节说明如何在单电池应用中选择合适的 BATFET，以同时满足线性充电模式和开关充电模式的 I_CHG 要求。

以以下设计参数为例：线性充电模式下的 I_{CHG_REQ} 设置为 0.8A，开关充电模式下设置为 4A。同时基于以下条件：线性充电模式下，I_{CHG_CONF} 为 1A，最小漏源电压(V_{DS_MIN}) 为 100mV， R_GS 为 1MΩ。开关充电模式下， I_{CHG_CONF} 为 4A， V_TRACK 为 100mV， and R_SNS 为10mΩ。

图7展示了MP2760典型应用电路。