【導(dǎo)讀】高功率便攜式設(shè)備充電有許多可用選項。目前提供的充電 IC 支持功率路徑管理以及可實現(xiàn)更高效率的高充電電流，從而可縮短充電時間，降低熱應(yīng)力并縮小解決方案尺寸。低成本 BOM 加上小尺寸解決方案，可在不影響尺寸與容量的情況下降低器件成本。
過去幾十年間，便攜式設(shè)備的功能和性能得到了顯著提升，手機(jī)就是一個很好的實例。它們已變得更為復(fù)雜，不僅能夠完成許多基本任務(wù)，而且還能像計算機(jī)一樣工作。更多的功能性已經(jīng)把智能手機(jī)從一種只能接打電話的設(shè)備變成了多用途便攜式設(shè)備，這也使其對功耗的需求空前高漲。
內(nèi)部電池組是存儲電量并為便攜式設(shè)備電路供電的主電源。電池充電器IC負(fù)責(zé)安全高效地為電池組充電。此外，它們還必須控制提供給系統(tǒng)的電源，確保在插入墻上電源時設(shè)備能正常工作。電池組需要在不影響重量與體積的情況下，不僅能存儲大量電源，而且還能在短時間內(nèi)完成充電。更高的充放電電流加上更小的物理尺寸，使得電池組很容易受到物理及熱應(yīng)力的損壞。因此，電池充電器光作為簡單的獨立充電器已經(jīng)不夠了。
要確保合理的充電時間和安全的充電條件，電池充電器 IC 需要具有高度的靈活性，因為它必須保證隨時為系統(tǒng)供電，并保證為電池和系統(tǒng)提供適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)。本文不僅將探討單體電池充電器解決方案，而且還將詳細(xì)介紹小型高功率應(yīng)用充電器的性能與限制。
單電池充電解決方案概覽
充電電池對手機(jī)和可穿戴電子產(chǎn)品等電子設(shè)備都至關(guān)重要。充電電路不僅必須認(rèn)真設(shè)計，而且很大程度上還取決于三大因素：電池化學(xué)成分、功率級以及系統(tǒng)負(fù)載。不同的電池化學(xué)成分需要不同的充電方法。應(yīng)用的電源需求會直接影響充電系統(tǒng)的成本與尺寸。最后，必須考慮系統(tǒng)電源需求，明確是選擇電源路徑還是非電源路徑。
鋰離子電池正在成為許多便攜式應(yīng)用的首選，主要原因是：它們不僅能以較小的尺寸重量提供較高的容量，而且還具有低自放電與高單元電壓（通常為3.6V）的特性，能夠?qū)崿F(xiàn)只有一節(jié)電池的電池組設(shè)計。雖然具有上述優(yōu)點，鋰離子電池也容易受到應(yīng)力損壞。它們需要特別考慮充電電流、穩(wěn)壓、小電流充電等級以及溫度監(jiān)控等。
基本充電方法有兩種：線性充電與開關(guān)模式充電。開關(guān)模式充電可在廣泛的AC 適配器電壓下最大限度地降低功耗，但會占用更多的板級空間，增加復(fù)雜性。此外，開關(guān)模式應(yīng)用通常比相應(yīng)的線性應(yīng)用成本高-。線性充電器體積較小，非常適合噪聲敏感型設(shè)備。不過，它們在整個充電過程中的效率沒有開關(guān)模式設(shè)備那么高。
選擇充電方法時，設(shè)計人員要根據(jù)成本、空間、材料單 （BOM） 數(shù)量以及效率（熱負(fù)載）進(jìn)行綜合考慮。系統(tǒng)需求不同，就會有不同的電池充電器解決方案，從簡單的獨立充電器到也可為系統(tǒng)供電的嵌入式充電器都有可能。系統(tǒng)需求包括但不僅限于：
● 動態(tài)電源路徑管理（DPPM） 需求，可確保系統(tǒng)在電池電量耗盡或斷開電池的情況下仍能立即開啟。
● 電池與系統(tǒng)路徑的低FET RDS（on），可確保合格的整體效率與散熱管理。
● 高充電電流，不僅支持高容量電池組，而且還可縮短充電時間。
● 輸入電壓動態(tài)電源管理 （DPM），支持任何適配器和／或 USB 端口限制。
電源要求（適配器限制）
目前大多數(shù)智能手機(jī)適配器都標(biāo)定為 5 至 10W 的最大輸出功率。圖 1 是不同充電電流等級所需的 USB端口或適配器輸入電源。對于 1.5A 的充電電流來說，隨著電池電壓從 3V 上升到最高電壓，所需電源可從 3W 線性上升至 5W。對于 3A 充電速率而言，整個充電周期，輸入需要提供高達(dá) 12W 的電源。在這種情況下，根據(jù)電池充電狀態(tài)不同，5W 或 10W 適配器可能會毀壞，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。為了避免這種情況發(fā)生，充電器要具有某些類型的保護(hù)功能來降低輸入供電。
圖 1.不同充電電流所需的輸入電源
TI 的 bq24250 等電池充電器支持動態(tài)電源管理 （DPM），可監(jiān)控輸入電壓 （VIN_DPM）。在正常充電過程中，如果輸入電源不能支持編程的或默認(rèn)的充電電流，輸入電壓就會下降。如果輸入電壓降至設(shè)計人員設(shè)定的 VIN_DPM 閾值，充電電流就會降低。這可限制輸入電源的供電，避免輸入電壓進(jìn)一步下降。該特性可在無任何硬件改變的情況下，確保 IC 兼容于具有不同電流功能的適配器。
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充電時間
如前文所述，充電時間取決于電池容量和充電速率?？s短充電時間的最簡單方法就是加快充電速率。不過，電池充電速率如果超過電池總?cè)萘康?80% （0.8C），就會在電池上產(chǎn)生應(yīng)力。這會縮短電池使用壽命，可能也會損壞電池組，造成災(zāi)難性后果。TI 開發(fā)了充電周期的充電時間優(yōu)化技術(shù)，與其它解決方案相比，其可在給定充電速率下縮短充電時間。鋰離子電池的充電周期主要包括三個階段：預(yù)充（小電流）、快充（恒定電流）和逐漸變?nèi)酰ê愣妷海┩A段之間的過渡對許多開關(guān)模式充電器來說并不理想。圖 2 重點顯示了在原有充電器電路中從恒定電流過渡到恒定電壓階段的情況。電壓和電流都沒有太明顯的變化，這種行為會在充電周期中造成時間和功率上的損失。
圖 2：原有充電器（不支持時間優(yōu)化技術(shù)）
TI 鋰離子電池充電器用時間優(yōu)化技術(shù)改善了這種不同階段之間的過渡。圖 3 顯示的充電周期與圖 2 采用的電池和充電條件相同。充電時間縮短了 15% 以上。在最新充電器上這種過渡要強(qiáng)烈得多，其在快充階段的時間更長，而后再轉(zhuǎn)換到逐漸變?nèi)蹼A段。這就能讓電池組以更快速度獲得更多電量，從而可在不增加充電速率的情況下縮短充電時間。
圖 3：開關(guān)模式鋰離子電池充電器
電路板尺寸與 BOM 成本
對較高充電速率來說，線性充電器就沒那么有吸引力了。其在充電周期上降低的效率會在系統(tǒng)上導(dǎo)致熱負(fù)載。這一點在尺寸受限的電路板和高功率應(yīng)用中尤為突出。這些條件就推動了對全面集成型開關(guān)模式充電器的需求。
TI 等廠商正在積極推進(jìn)包絡(luò)創(chuàng)新，通過在不影響器件性能的情況下縮減 BOM 成本與電路板尺寸來滿足市場要求。例如，bq24250 是一款高度集成的單體鋰離子電池充電器及系統(tǒng)電源路徑管理 IC，主要面向采用高容量電池的空間有限型便攜式應(yīng)用。圖 4 是提供實際應(yīng)用面積尺寸的各種器件。舉例來說，bq2425x 系列充電器支持高達(dá) 2A 的充電電流、經(jīng)濟(jì)型 BOM 以及 42 平方毫米的應(yīng)用面積。
適用于不同應(yīng)用的DPPM充電器
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散熱性能與效率
縮小充電器面積尺寸會影響整個電路板的散熱性能。更少的可用面積可導(dǎo)致充電過程中功耗產(chǎn)生的熱量散發(fā)空間更小。就給定的電路板面積而言，唯一降低熱負(fù)載的辦法是提高電源轉(zhuǎn)換期間的充電器效率。更高的效率可帶來更低的功耗，而 IC 和電路板產(chǎn)生的熱量也會更少。
在更高功率應(yīng)用中比較線性充電器與開關(guān)模式充電器的功耗時，線性充電器處于劣勢，因為功率消耗可能非常高，對于較低電池電壓而言尤其如此。這是因為線性充電器采用線性穩(wěn)壓器進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換。另一方面，開關(guān)模式充電在整個電池電壓范圍內(nèi)的效率要高得多，可產(chǎn)生較低的功率耗散。圖 5 是線性充電器與開關(guān)模式充電器之間的功耗對比。
線性充電器與開關(guān)模式充電器
改善電路板上的充電器散熱性能，選擇開關(guān)模式充電器而不選擇線性充電器是符合邏輯的。降低開關(guān)充電器內(nèi)部集成型 FET 的 RDS（on） 有助于提高大電流下的充電器效率。這是因為大電流情況下大多數(shù)開關(guān)充電器功耗都是由 FET 的 RDS（on） 造成的。bq24250鋰離子電池充電器集成了功率 FET 與低 RDS（on）。內(nèi)部高側(cè)及低側(cè) MOSFET 的額定電阻分別僅為100m Ω。這有助于降低從輸入到系統(tǒng)輸出的功耗。FET 切換至電池的 RDS（on） 僅為 20mΩ，這也有助于降低充放電期間的損耗。圖6 提供的bq24250 系統(tǒng)效率數(shù)據(jù)可高達(dá) 95%。
bq24250鋰離子電池充電器的系統(tǒng)效率
電池保護(hù)與電池使用壽命延長
高功率便攜式電子設(shè)備的一個主要問題是電池使用壽命周期。電池容量隨時間推移的降低可縮短運(yùn)行時間，嚴(yán)重影響用戶體驗。延長電池使用壽命周期的一個主要方法是降低充放電過程中的應(yīng)力。鋰離子電池對電池組上過流或過壓產(chǎn)生的應(yīng)力非常敏感。bq24250 等電池充電器 IC 可調(diào)節(jié)電池電壓，支持±0.5% 的室溫誤差精度。對充電電流而言，該 IC 可在 0 至 125 攝氏度的溫度范圍內(nèi)針對高達(dá) 2A 的充電電流提供±0.75% 誤差精度。這種高精度有助于設(shè)計人員根據(jù)應(yīng)用需求精確編程電壓與電流等級。有了這些精確的充電參數(shù)，電池就可在不影響電池使用壽命周期的情況下更積極地充電。這可在維護(hù)安全充電解決方案的同時，縮短充電時間。
不同溫度下的充電電流精確度
圖 7 是 0 至 126 攝氏度溫度范圍的 3 種充電電流準(zhǔn)確度。對于高達(dá) 1.5A 的充電電流而言，產(chǎn)品說明書中顯示的誤差精度不超過 2%（典型值）。
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系統(tǒng)關(guān)閉模式 （SYSOFF）
在預(yù)售發(fā)貨存儲過程中，電池需要與系統(tǒng)其它部分?jǐn)嚅_，以免耗盡電池電量。bq24250 電池充電器具有SYSOFF 模式，其可通過設(shè)置來關(guān)閉電池 FET，斷開電池與系統(tǒng)的連接。在使用 SYSOFF 模式時，電池到IC 的泄漏電流將降低至 1μA 以下（圖 8）。設(shè)計人員可對系統(tǒng)進(jìn)行編程，在終端客戶將電源插入充電器時自動退出 SYSOFF 模式。
SYSOFF模式下的電池泄漏電流
應(yīng)用靈活性
在當(dāng)前競爭激烈的市場上，大多數(shù)市場參與者都在不斷追求更低成本，以實現(xiàn)更高的利潤率與更大的競爭實力。如果能夠針對不同產(chǎn)品及多代要求改變相同芯片的使用意圖，就會為不同系統(tǒng)設(shè)計直接節(jié)省成本。此外，這還可縮短應(yīng)用學(xué)習(xí)曲線，通過使用已知可行解決方案來避免不必要的風(fēng)險。市場正需要集成多種特性的電池充電器系列來為不同應(yīng)用提供高度的靈活性。例如，如果一款充電器支持寬泛輸入電壓， 它就適用于各種不同的適配器，從而可能會降低庫存成本。充電電流的高靈活性可支持充電寶、智能手機(jī)、低級充電以及藍(lán)牙 （Bluetooth.） 耳機(jī)等應(yīng)用的更大電流。
許多充電器提供兩種芯片控制方案：I2C 通信與獨立式，這允許根據(jù)需要調(diào)節(jié)每個應(yīng)用。在 I2C 模式下，設(shè)計人員可對 VIN_DPM 閾值、充電電流、輸入電流限制、穩(wěn)壓和充電結(jié)束電平等各種參數(shù)進(jìn)行編程。在獨立模式下工作時不需要主機(jī)控制，設(shè)計人員不僅可使用外部設(shè)置來編程以上參數(shù)，而且還可利用外部引腳來選擇不同輸入電流限制級和啟用／禁用芯片。
符合 BC1.2 標(biāo)準(zhǔn)的 D+/D– USB 檢測特性可為實現(xiàn)更穩(wěn)健 USB 充電提供更高靈活性。過去，USB 充電非常直接，設(shè)備直接從 USB 端口為電池供電，沒什么控制功能。在今天的高功率應(yīng)用中，設(shè)備需要從 USB 端口獲得更大電源，這就需要實施更復(fù)雜的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議。此外，隨著相同 USB 端口連接器中不同 USB 標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)化，能識別可連接設(shè)備的類型是一項極具競爭力的實用特性。
結(jié)論
高功率便攜式設(shè)備充電有許多可用選項。目前提供的充電 IC 支持功率路徑管理以及可實現(xiàn)更高效率的高充電電流，從而可縮短充電時間，降低熱應(yīng)力并縮小解決方案尺寸。低成本 BOM 加上小尺寸解決方案，可在不影響尺寸與容量的情況下降低器件成本。
