前一篇文章中讲述了四开关管BOB(Buck or Boost)变换器,它在手机系统电源中起到了重要作用,链接如下:
出将入相,四开关管BOB(Buck or Boost)变换器简介 -
这种四开关管BOB不仅能在电源里混,充电芯片里它也照样打工,也曾有较多的手机项目用到过。与BOB电源相比,BOB charger变换模式更多,集成的feature也更多。
BOB charger,有的芯片也称为Buck-Boost charger,为了把李逵和李鬼区分开,不与负压Buck-Boost混淆,在这里统称为BOB charger。
背景
初期,手机项目的普充(普通充电,与快充相区别)基本上都是buck charger,尔后随着手机快充技术的发展,业界引入了双串电池(2S)技术。这个玩意搭配4:2电荷泵,可实现百瓦以上的快充,风头一时无两,这种技术路线广泛为VIVO所采用,下图的右半部分列出了VIVO 120W的充电架构图。

但双串电池项目有它自己的尴尬:由于是双串电池,其VBAT电压大致为6~8.9V,而USB口的输入电压可能为5V或9V或12V或20V。Buck充电IC是降压变换,是无法处理5V电压的充电器的。
故双串电池的手机,则要求充电芯片既能工作在BUCK模式,又能工作在BOOST模式。基于以上背景,四开关管BOB(Buck or Boost) charger临危受命,广泛应用在双串电池项目中。

采用四开关管BOB架构的charger,电池电压(VBAT)可以低于、高于或等于输入电压(VBUS)。
Boost工作模式
当VBUS<VBAT,比如使用5V充电器给双串电池充电时,便会触发Boost充电。业界的5V充电器有电脑USB口、早期的充电头(苹果五福一安)等等。
如下图,Q1常闭,Q2常断,Q3和Q4组成同步Boost变换器,能量从输入端升压后传输到双串电池。

Buck工作模式
当VBUS>VBAT,比如使用9V或12V充电器给双串电池充电时,便会触发Buck充电。充电器有QC充电器、PD2.0充电器等等。
如下图,Q3常断,Q4常闭,Q1和Q2组成同步Buck变换器,能量从输入端降压后传输到双串电池。

Reverse Buck工作模式
手机也具备OTG的功能,当要求OTG反向输出时,一般要求输出5V,故需要使用Buck拓扑,使双串电池反向对外放电。
如下图,Q1常闭,Q2常断,Q3和Q4组成同步Buck变换器,能量从双串电池端降压后传输到VBUS端。

除了Reverse Buck,四开关管架构也能实现Reverse Boost,但在手机项目上没有应用场景,因为OTG的规范是5V,故没有开发。但为了完整起见,也把Reverse Boost的框图列举如下,就当留个念想。

BOB charger的相关feature
四开关管BOB充电芯片不仅仅是功率转换器,更是面向各种充电场景,为了充的又快又安全,而集成了各种feature的充电管理系统,其示意图如下图所示:

集成feature通常包括:
- 状态机: 涓流、预充、恒流、恒压、充电截止等完整锂电池充电曲线管理。
- 多个误差放大器:用于多个环路的实现,调节输入电流、充电电流和电池电压等。
- 自举电路:四开关管中的高侧MOS的驱动,就像给穿高跟鞋一样,使驱动电压足够使高侧MOS开启或关闭。
- NVDC电源路径管理: 在电池充电的同时,优先为系统负载供电,通过BATFET管实现举足轻重的路径管理功能(NVDC),具体来说有以下功能:
- 在电池过放,能够提供一个的足以让系统启动的电压,能即时开机。
- 当电池充满后,切断电池充电路径,能够继续由适配器给系统供电。
- 在系统抽载超过充电器输入功率时,让电池辅助参与供电。
- 另外,系统与电池之间的充放电路径通常可以双向阻断,也可以利用此路径实现运输模式(Ship mode),让电池与系统彻底断开以降低电池的功耗。
- I2C接口: 允许AP或MCU灵活地配置充电电流、电压、截止等各种参数。
- 高精度ADC和数字逻辑:用于采样、监控和计算。
- 全面的保护: 输入过压/欠压保护、电池过压保护、过流保护、温度监控(NTC)、看门狗定时器等。
- 协议:通常包含BC1.2、QC等协议,集成度更高,可以不用外部的协议芯片。
如下图,为MPS的BOB charger芯片框图,从中可了解一二。
