如何在縮小便攜式電子產(chǎn)品整體解決方案尺寸的同時增加充電電流

1.前言

現(xiàn)代便攜式電子設(shè)備包括高容量鋰離子電池，可為我們熟知和喜愛的功能供電，例如高清攝像頭、無邊框高分辨率觸摸屏和高速數(shù)據(jù)連接。隨著功能列表的不斷增加，支持它們所需的電池容量以及在合理時間內(nèi)為電池充電所需的充電電流也在不斷增加。

系統(tǒng)設(shè)計人員的一項關(guān)鍵考慮是在充電時平衡電池容量、充電時間和設(shè)備溫度。最后一個元素很重要，不僅可以增強(qiáng)用戶體驗，還可以提高電池安全性和使用壽命。給定電池容量，我們可以通過增加充電電流來縮短充電時間，同時通過減少設(shè)備內(nèi)部的總功率損耗來控制設(shè)備溫度。

開關(guān)模式電池充電器的效率通常會在較高的電流水平下下降，這會導(dǎo)致更大的功率損耗和更高的設(shè)備溫度?；诮祲旱碾姵爻潆娖魍ǔ？梢酝ㄟ^犧牲解決方案尺寸來實現(xiàn)更高的效率；例如，具有較低電阻的較大電感器可能會提高典型設(shè)計在高電流下的效率。

2.充電方案

TI 最新的配套電池充電器bq25910 基于三電平降壓轉(zhuǎn)換器技術(shù)，可讓我們靈活地將效率提高 5 個百分點，同時將解決方案尺寸縮小 2 倍。這是效率和解決方案尺寸的非凡改進(jìn)，與老一代充電器相比，在固定損耗預(yù)算下，充電電流增加了 50%。

• 并聯(lián)充電器可在雙充電器配置下提供快速充電
• 高效的750kHz開關(guān)模式三級降壓并聯(lián)充電器
  • 降低了紋波，因此可支持低厚度電感器
  • 輸入電壓為5V，電流為1.5A時，充電效率為95.4％
  • 輸入電壓為9V，電流為3A時，充電效率為93.3％
  • 傳統(tǒng)小尺寸降壓轉(zhuǎn)換器相比，效率更加出色
• 單個輸入，支持USB輸入和可調(diào)高壓適配器
  • 支持3.9V至14V輸入電壓范圍具有20V額定最大絕對輸入電壓
  • 輸入電流限制（500mA至3.6A，分辨率為100mA），支持USB2.0，USB3.0標(biāo)準(zhǔn)和高壓適配器
  • 通過高達(dá)14V的輸入電壓限制（VINDPM）進(jìn)行最大功率跟蹤

圖 1 所示的三電平降壓轉(zhuǎn)換器是開關(guān)電容器和開關(guān)電感器電路的組合，沒有基本的占空比限制。通過添加一個在 V IN /2處平衡的快速電容器 C FLY，該電路將開關(guān) MOSFET 上的電壓應(yīng)力降低了一半，使 V SW處的有效開關(guān)頻率加倍，并將電感兩端的伏秒減少了一半。柵極驅(qū)動方案類似于兩相降壓轉(zhuǎn)換器的方案。互補(bǔ)信號驅(qū)動外部 FET Q HSA和 Q LSA，占空比 D = V OUT /V IN。等占空比的第二個互補(bǔ)信號驅(qū)動內(nèi)部 FET，Q HSB和 Q LSB，但相移了 180 度。

圖 1：bq25910 中使用的三電平降壓轉(zhuǎn)換器電路（a）；該器件的總解決方案尺寸為 56mm 2，包括所有功率元件 (b)

假設(shè) C FLY在 V IN /2處保持平衡，V SW節(jié)點可以呈現(xiàn)三種不同的電壓：V IN、V IN /2 和 GND。電感兩端電壓的降低決定了電路中的紋波電流，這是選擇所需電感的關(guān)鍵參數(shù)。由于電感器通常是開關(guān)轉(zhuǎn)換器中最大的物理組件，因此降低其要求可顯著節(jié)省解決方案尺寸。這使得新的應(yīng)用成為可能，例如高度受限的高充電電流設(shè)計。此外，較小的電感實際上會產(chǎn)生較低的損耗，從而提高整體效率。

飛跨電容器的加入使三電平降壓轉(zhuǎn)換器能夠降低半導(dǎo)體器件中的開關(guān)損耗以及外部電感器的尺寸和損耗，從而顯著提高效率，即使是很小的效率提升也可以轉(zhuǎn)化為更高的充電電流。通過將效率提高 5 個百分點，bq25910 將充電電流從 2.9A 增加到 4.35A，同時功率損耗為 1.5W，同時將總解決方案尺寸縮小了 2 倍。我們可以在圖 2 中看到這一點，其中比較了 bq25910 與上一代充電器的效率、尺寸和溫度。

圖 2：對于固定損耗，bq25910 的效率提高了 +5%，電流提高了 +50% (a)；并以一半的尺寸運行 8°C 冷卻器 (b)

隨著每一代產(chǎn)品的推出，我們的便攜式電子設(shè)備的功能越來越豐富。這些新功能需要更大的電池容量和更大的物理面積，以提供增強(qiáng)的用戶體驗。這反過來又對電池充電器提出了嚴(yán)格的要求：它們必須占用更少的空間并在相等或更短的時間內(nèi)為更大的電池充電?；诮祲恨D(zhuǎn)換器的充電器通常會在效率與尺寸之間進(jìn)行權(quán)衡，這一事實需要一種能夠同時提供兩者的新技術(shù)。

bq25910 在快速和涼爽的電池充電方面提供了相當(dāng)大的改進(jìn)，同時減小了解決方案的尺寸。考慮在我們的下一個具有高電流和高效率要求的電池充電器設(shè)計中利用這一創(chuàng)新解決方案。