電源路徑設計（也稱為負載平衡）為您的裝置提供從輸入電源到系統的專用路徑，同時另一條路徑則用於電池充電。充電會在電壓和電流達到閾值時終止。
如果沒有它，運作中的裝置會與充電器爭奪電流。電池電量會耗盡，充電時間會延長，負載電流也會幹擾終端測量結果。
這對於醫療、機器人、安防、基礎設施和工業市場中採購客製化鋰電池組的設備原始設備製造商 (OEM) 而言至關重要。各種權衡取捨取決於具體應用，並且需要進行系統驗證。
接下來分為四個部分：電源路徑的重要性、關鍵電路元件、充電期間的操作、以及充電終止和驗證。
關鍵要點
電源路徑設計允許您的裝置透過適配器運行，同時電池單獨充電。
合適的輸入預算和電源路徑控制器可以減少不必要的電池放電；補充模式仍可能會消耗電池電流。
之所以能夠準確終止充電，是因為充電器只測量電池電流。
電池組無電或電量耗盡時的啟動取決於控制器、電源預算和負載曲線，必須進行測試。
在批准設計方案之前，請務必使用實際尺寸在工作台上進行驗證。
第一部分：為什麼電源路徑設計對OEM設備至關重要
1.1 簡單充電的問題
與您的電池組「相容」的充電器只能調節輸入電池的電流和電壓，卻無法控制您的裝置同時消耗的電量。這就是通用充電器相容性和真正負載平衡之間的差距。
電源路徑設計彌合了這一差距。它為系統負載提供了一條來自適配器的獨立供電路徑，並為電池預留了一條獨立的穩壓路徑。您的裝置不再透過充電器的電池端子汲取工作電流。
考慮一款配備NMC電池組的手持式醫療監視器。電池組規格可能允許設定特定的充電電流，但設備電子元件會消耗適配器輸出的大部分電流。簡單的充電器無法分離這兩種電流，而電源通路電路可以。
1.2 電池耗電和充電時間衝突
如果沒有負載分擔，運作中的裝置和充電器會爭用同一電流。當負載超過適配器的供電能力時，電池會彌補不足。這樣一來，電池在充電過程中就會放電，充電時間也會延長。
重複補充電池電量會影響能量輸出和發熱量。應評估實際的佔空比，而不是將每次部分補充都計為一個完整週期。
化學性質在此至關重要。 LiFePO4、LCO 和 LMO 電池組對部分循環的反應各不相同，而且單體電池的額定值與電池組的額定值也存在差異。在最終決定之前，請務必對照您實際的單體電池資料手冊和系統條件以驗證其性能。
第二部分：電源路徑電路的關鍵組成部分
2.1 理想二極體與輸入場效電晶體
適配器輸入端連接著一個理想二極體。它的行為更像是一個近乎無損耗的開關，而非真正的二極體。當適配器連接時，它會向系統輸送電流。當適配器斷開連接時，它會阻止反向電流流動，防止電池反向饋電到輸入端。
輸入 FET 在高電流下執行相同的任務。它們的位置決定了整個電路設計。低側 FET 位於電池接地路徑中，簡化了電路，但在保護事件發生時會失去接地參考。高側 FET 位於正極路徑中，使電池和系統保持共用接地，大多數設計人員出於安全考慮更傾向於這種方案。
區分充電器電源路徑管理與共連接埠或獨立連接埠電池組保護。根據電路要求選擇開關配置，並驗證反向電流阻斷、突波電流和故障行為。
2.2 充電控制器和系統負載路徑
充電控制器負責調節電池的電流和電壓。系統負載路徑直接從適配器取電。它們共同構成了一個中間節點，通常稱為第三節點，位於輸入、電池和系統之間。此節點支援即時啟動功能。即使電池電量耗盡或未充電，您的裝置也能透過轉接器啟動。
電池管理系統負責監控此節點後的電池組。模擬前端檢測電芯訊號並標記故障。電量計估算電池的充電狀態和健康狀態。微控制器運作診斷和通信，輔助保護器提供冗餘安全保障。電芯均衡功能有助於管理串聯組之間的不平衡（如有實現）。您可以在[此處插入連結]閱讀更多關於這些功能的資訊。 BMS和PCM頁面良好的電源路徑設計將控制器與能夠報告準確電池數據的 BMS 配對。
第三部分：運作過程中電源路徑設計如何運作
3.1 從輸入源為系統供電
適配器首先承載系統負載。電源路徑設計將輸入電流直接傳送到設備電子元件，電池則連接到單獨的分支電路。您的設備由牆壁電源供電，而不是由電池組供電。
輸入電流預算決定了上限。假設一個範例適配器提供固定電流，而你的電路板在尖峰負載下會消耗大部分電流。只有剩餘的電流才能流入電池。選擇適配器時，應根據最壞情況負載電流和目標充電電流總和來確定其功率分配，然後在測試台上驗證分配比例。這些數值僅供參考。實際的電流預算取決於適配器資料手冊、電池資料手冊以及系統驗證結果。
請檢查所選電源和充電器降額曲線、機殼溫度和實際冷卻條件。沒有通用的環境降額點、氣流需求或對流減少百分比。
當適配器掉電時，切換功能可確保設備繼續運作。輸液幫浦和呼吸器等醫療設備都依賴此功能。預算中不僅要考慮切換電路，還要考慮符合 IEC 62133 標準的電池安全性和電池老化問題。
根據實際主機需求定義允許的電壓下降和中斷範圍。測試適配器的移除、重新連接、負載階躍和保護轉換；僅憑應用程式名稱無法確定中斷容忍度。
3.2 並聯充電
系統運作時，充電控制器負責電池分支的充電。它會保持一定的電流注入電池組，然後隨著電池組電壓接近其極限值而逐漸減少電流。在正常使用適配器供電的情況下，系統分支與偵測到的電池充電路徑是分離的。請分別驗證補充充電模式和其他模式。
這種獨立性正是關鍵。簡單的充電器測量的是混合了負載和充電電流的單一電流。而功率路徑充電器則只測量充電電流。這種分離有助於實現精確的端接，這將在第四部分中詳細介紹。
第四部分：如何處理充電終止
4.1 電壓和電流閾值
鋰離子電池充電器分兩個階段運作。在恆定電流階段，它會向電池組注入恆定電流。當電池組達到其電壓極限時，充電器切換到恆壓階段並保持該電壓。隨著電池電量的增加，充電電流逐漸減少。
對於許多恆定電流/恆壓充電器方案而言，終止充電需要滿足電池電壓和充電電流條件，這些條件由控制器特定的定時器、工作模式和溫度邏輯決定。請使用所選控制器和電池的文檔，而不是通用的額定電流百分比。
電壓限制取決於電池的化學成分和規格。請將這些值視為典型值，並與您的電池資料手冊進行核對。
根據已批准的電芯規格、串聯數量、容差和保護設置，推導出電池組的充電限制。確認所有電芯均未超出其允許的條件。
同時指定充電電壓、電流、終止條件、重新啟動條件和溫度限制。較低的終止電流並非必然更優；還需驗證充電時間、熱暴露和電池需求。
4.2 計時器、安全檢查和驗證
僅憑電流不應終止充電。應添加安全定時器，即使 ITERM 未觸發，也應在設定的時間範圍後停止充電。新增電池組溫度檢測，並在超出電池規格書允許的溫度範圍時暫停充電。注意那些始終未達到電壓限制的電池組，並將其標記為故障。
在批准設計方案之前，請先列出需求清單：
負載平衡：確認系統在電池組充電時由適配器供電。
充電器輸入預算：根據最壞情況負載加上目標充電電流來選擇適配器。
終止閾值：根據電池資料手冊設定充電電壓和 ITERM，然後在試驗台上進行驗證。
熱極限：檢查最壞情況下的內部環境溫度的降額曲線。
電源切換：定義適配器掉電時的行為，並在負載下進行測試。
使用實際測量數據驗證每個項目，不要依賴數據手冊中的假設。記錄整個充電週期中的充電電流、電池組電壓和電路板溫度。
若要為您的裝置客製化專屬軟體包，請開始 客製化電池項目 。
經過驗證的電源路徑將系統負載與電池電流測量隔離，並控制電源切換。它不能取代獨立的電池保護，也不能證明設備級安全性。只有在檢查了實際負載曲線、功率預算、溫度限制和故障響應之後，才能發佈設計。
常見問題
負載共享與聲稱電池組相容性的充電器有何不同？
相容性僅說明充電器能夠調節電池的電流和電壓，但並不能說明您的裝置是否會同時消耗電量。負載平衡功能會在適配器和系統之間建立一條獨立的路徑，從而避免您的電子設備透過充電器的電池端子消耗電流。
如何為跑步時充電的裝置選擇合適的轉接器？
將最壞情況下的系統負載加到目標充電電流上，然後在測試台上確認分配比例。檢查電源在最高內部環境溫度下的降額曲線，而不是在室溫下。無風扇設計必須使用自然對流額定值，通常低於強制風冷額定值。
為什麼系統載入會損壞電荷終止？
簡單的充電器測量的是混合了負載和充電電流的綜合電流。如果您的裝置耗電量較大，則該綜合電流可能永遠不會降至裝置閾值，因此充電循環無法乾淨俐落地結束。而電源路徑設計僅測量充電電流，從而確保終止判斷的準確性。
如果電池電量嚴重不足或電池缺失，我的設備還能啟動嗎？
是的，如果電路在輸入、電池和系統之間提供了一個中間節點。這個第三個節點可以讓設備直接從適配器啟動。請在您自己的硬體上驗證其行為，因為即時啟動取決於您的控制器和負載情況。
在批准電源路徑設計之前，我應該核實哪些內容？
記錄整個充電週期中的充電電流、電池組電壓和電路板溫度。測試適配器斷電時負載下的切換情況。對照電池數據手冊確認充電電壓和 ITERM 設置，並檢查最惡劣環境條件下的熱裕度。所有結果均取決於您的佔空比。
第五部分：主要技術參考
德州儀器在報告中解釋了系統電流和電池電流分離的原理。 電源路徑充電器技術文章仍需對照所選控制器的數據手冊檢查組件的具體行為。
