過(guò)去幾十年間，便攜式設備的功能和性能得到了顯著(zhù)提升，手機就是一個(gè)很好的實(shí)例。它們已變得更為復雜，不僅能夠完成許多基本任務(wù)，而且還能像計算機一樣工作。更多的功能性已經(jīng)把智能手機從一種只能接打電話(huà)的設備變成了多用途便攜式設備，這也使其對功耗的需求空前高漲。

 

內部電池組是存儲電量并為便攜式設備電路供電的主電源。電池充電器IC負責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的電源，確保在插入墻上電源時(shí)設備能正常工作。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(shí)間內完成充電。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力的損壞。因此，電池充電器光作為簡(jiǎn)單的獨立充電器已經(jīng)不夠了。

 

要確保合理的充電時(shí)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(shí)為系統供電，并保證為電池和系統提供適當的保護。本文不僅將探討單體電池充電器解決方案，而且還將詳細介紹小型高功率應用充電器的性能與限制。

 

 

充電電池對手機和可穿戴電子產(chǎn)品等電子設備都至關(guān)重要。充電電路不僅必須認真設計，而且很大程度上還取決于三大因素：電池化學(xué)成分、功率級以及系統負載。不同的電池化學(xué)成分需要不同的充電方法。應用的電源需求會(huì )直接影響充電系統的成本與尺寸。最后，必須考慮系統電源需求，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，能夠實(shí)現只有一節電池的電池組設計。雖然具有上述優(yōu)點(diǎn)，鋰離子電池也容易受到應力損壞。它們需要特別考慮充電電流、穩壓、小電流充電等級以及溫度監控等。

 

基本充電方法有兩種：線(xiàn)性充電與開(kāi)關(guān)模式充電。開(kāi)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(huì )占用更多的板級空間，增加復雜性。此外，開(kāi)關(guān)模式應用通常比相應的線(xiàn)性應用成本高-。線(xiàn)性充電器體積較小，非常適合噪聲敏感型設備。不過(guò)，它們在整個(gè)充電過(guò)程中的效率沒(méi)有開(kāi)關(guān)模式設備那么高。

 

選擇充電方法時(shí)，設計人員要根據成本、空間、材料單 （BOM） 數量以及效率（熱負載）進(jìn)行綜合考慮。系統需求不同，就會(huì )有不同的電池充電器解決方案，從簡(jiǎn)單的獨立充電器到也可為系統供電的嵌入式充電器都有可能。系統需求包括但不僅限于：

 

● 動(dòng)態(tài)電源路徑管理（DPPM） 需求，可確保系統在電池電量耗盡或斷開(kāi)電池的情況下仍能立即開(kāi)啟。

● 電池與系統路徑的低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(shí)間。

● 輸入電壓動(dòng)態(tài)電源管理 （DPM），支持任何適配器和／或 USB 端口限制。

 

 

目前大多數智能手機適配器都標定為 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(lái)說(shuō)，隨著(zhù)電池電壓從 3V 上升到最高電壓，所需電源可從 3W 線(xiàn)性上升至 5W。對于 3A 充電速率而言，整個(gè)充電周期，輸入需要提供高達 12W 的電源。在這種情況下，根據電池充電狀態(tài)不同，5W 或 10W 適配器可能會(huì )毀壞，進(jìn)而導致系統崩潰。為了避免這種情況發(fā)生，充電器要具有某些類(lèi)型的保護功能來(lái)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(dòng)態(tài)電源管理 （DPM），可監控輸入電壓 （VIN_DPM）。在正常充電過(guò)程中，如果輸入電源不能支持編程的或默認的充電電流，輸入電壓就會(huì )下降。如果輸入電壓降至設計人員設定的 VIN_DPM 閾值，充電電流就會(huì )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(wú)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。

 

如前文所述，充電時(shí)間取決于電池容量和充電速率?？s短充電時(shí)間的最簡(jiǎn)單方法就是加快充電速率。不過(guò)，電池充電速率如果超過(guò)電池總容量的 80% （0.8C），就會(huì )在電池上產(chǎn)生應力。這會(huì )縮短電池使用壽命，可能也會(huì )損壞電池組，造成災難性后果。TI 開(kāi)發(fā)了充電周期的充電時(shí)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(shí)間。鋰離子電池的充電周期主要包括三個(gè)階段：預充（小電流）、快充（恒定電流）和逐漸變弱（恒定電壓）同階段之間的過(guò)渡對許多開(kāi)關(guān)模式充電器來(lái)說(shuō)并不理想。圖 2 重點(diǎn)顯示了在原有充電器電路中從恒定電流過(guò)渡到恒定電壓階段的情況。電壓和電流都沒(méi)有太明顯的變化，這種行為會(huì )在充電周期中造成時(shí)間和功率上的損失。

圖 2：原有充電器（不支持時(shí)間優(yōu)化技術(shù)）

 

TI 鋰離子電池充電器用時(shí)間優(yōu)化技術(shù)改善了這種不同階段之間的過(guò)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(shí)間縮短了 15% 以上。在最新充電器上這種過(guò)渡要強烈得多，其在快充階段的時(shí)間更長(cháng)，而后再轉換到逐漸變弱階段。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(shí)間。

圖 3：開(kāi)關(guān)模式鋰離子電池充電器

 

 

對較高充電速率來(lái)說(shuō)，線(xiàn)性充電器就沒(méi)那么有吸引力了。其在充電周期上降低的效率會(huì )在系統上導致熱負載。這一點(diǎn)在尺寸受限的電路板和高功率應用中尤為突出。這些條件就推動(dòng)了對全面集成型開(kāi)關(guān)模式充電器的需求。

 

TI 等廠(chǎng)商正在積極推進(jìn)包絡(luò )創(chuàng )新，通過(guò)在不影響器件性能的情況下縮減 BOM 成本與電路板尺寸來(lái)滿(mǎn)足市場(chǎng)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用。圖 4 是提供實(shí)際應用面積尺寸的各種器件。舉例來(lái)說(shuō)，bq2425x 系列充電器支持高達 2A 的充電電流、經(jīng)濟型 BOM 以及 42 平方毫米的應用面積。

適用于不同應用的DPPM充電器

 

縮小充電器面積尺寸會(huì )影響整個(gè)電路板的散熱性能。更少的可用面積可導致充電過(guò)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，唯一降低熱負載的辦法是提高電源轉換期間的充電器效率。更高的效率可帶來(lái)更低的功耗，而 IC 和電路板產(chǎn)生的熱量也會(huì )更少。

 

在更高功率應用中比較線(xiàn)性充電器與開(kāi)關(guān)模式充電器的功耗時(shí)，線(xiàn)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(xiàn)性充電器采用線(xiàn)性穩壓器進(jìn)行功率轉換。另一方面，開(kāi)關(guān)模式充電在整個(gè)電池電壓范圍內的效率要高得多，可產(chǎn)生較低的功率耗散。圖 5 是線(xiàn)性充電器與開(kāi)關(guān)模式充電器之間的功耗對比。

線(xiàn)性充電器與開(kāi)關(guān)模式充電器

 

改善電路板上的充電器散熱性能，選擇開(kāi)關(guān)模式充電器而不選擇線(xiàn)性充電器是符合邏輯的。降低開(kāi)關(guān)充電器內部集成型 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開(kāi)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）。內部高側及低側 MOSFET 的額定電阻分別僅為100m Ω。這有助于降低從輸入到系統輸出的功耗。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 系統效率數據可高達 95%。

bq24250鋰離子電池充電器的系統效率

 

 

高功率便攜式電子設備的一個(gè)主要問(wèn)題是電池使用壽命周期。電池容量隨時(shí)間推移的降低可縮短運行時(shí)間，嚴重影響用戶(hù)體驗。延長(cháng)電池使用壽命周期的一個(gè)主要方法是降低充放電過(guò)程中的應力。鋰離子電池對電池組上過(guò)流或過(guò)壓產(chǎn)生的應力非常敏感。bq24250 等電池充電器 IC 可調節電池電壓，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針對高達 2A 的充電電流提供±0.75% 誤差精度。這種高精度有助于設計人員根據應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，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。這可在維護安全充電解決方案的同時(shí)，縮短充電時(shí)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 種充電電流準確度。對于高達 1.5A 的充電電流而言，產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中顯示的誤差精度不超過(guò) 2%（典型值）。

 

在預售發(fā)貨存儲過(guò)程中，電池需要與系統其它部分斷開(kāi)，以免耗盡電池電量。bq24250 電池充電器具有SYSOFF 模式，其可通過(guò)設置來(lái)關(guān)閉電池 FET，斷開(kāi)電池與系統的連接。在使用 SYSOFF 模式時(shí)，電池到IC 的泄漏電流將降低至 1μA 以下（圖 8）。設計人員可對系統進(jìn)行編程，在終端客戶(hù)將電源插入充電器時(shí)自動(dòng)退出 SYSOFF 模式。

SYSOFF模式下的電池泄漏電流

 

 

在當前競爭激烈的市場(chǎng)上，大多數市場(chǎng)參與者都在不斷追求更低成本，以實(shí)現更高的利潤率與更大的競爭實(shí)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(huì )為不同系統設計直接節省成本。此外，這還可縮短應用學(xué)習曲線(xiàn)，通過(guò)使用已知可行解決方案來(lái)避免不必要的風(fēng)險。市場(chǎng)正需要集成多種特性的電池充電器系列來(lái)為不同應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(huì )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、低級充電以及藍牙 （Bluetooth.） 耳機等應用的更大電流。

 

許多充電器提供兩種芯片控制方案：I2C 通信與獨立式，這允許根據需要調節每個(gè)應用。在 I2C 模式下，設計人員可對 VIN_DPM 閾值、充電電流、輸入電流限制、穩壓和充電結束電平等各種參數進(jìn)行編程。在獨立模式下工作時(shí)不需要主機控制，設計人員不僅可使用外部設置來(lái)編程以上參數，而且還可利用外部引腳來(lái)選擇不同輸入電流限制級和啟用／禁用芯片。

 

符合 BC1.2 標準的 D+/D– USB 檢測特性可為實(shí)現更穩健 USB 充電提供更高靈活性。過(guò)去，USB 充電非常直接，設備直接從 USB 端口為電池供電，沒(méi)什么控制功能。在今天的高功率應用中，設備需要從 USB 端口獲得更大電源，這就需要實(shí)施更復雜的標準和協(xié)議。此外，隨著(zhù)相同 USB 端口連接器中不同 USB 標準的標準化，能識別可連接設備的類(lèi)型是一項極具競爭力的實(shí)用特性。

 

 

高功率便攜式設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(shí)現更高效率的高充電電流，從而可縮短充電時(shí)間，降低熱應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。