為便攜式設(shè)備快速充電

移動(dòng)設(shè)備正日益成為我們?nèi)粘Ｉ畈豢苫蛉钡囊徊糠帧Ｒ灾悄苁謾C(jī)為例，除了簡(jiǎn)單的手機(jī)呼叫功能外，智能手機(jī)現(xiàn)在還具有豐富的特性，能夠支持社交網(wǎng)絡(luò)、Web 瀏覽、消息發(fā)送、游戲以及大型高清屏幕等應(yīng)用。所有這些特性已讓手機(jī)成了高功耗設(shè)備。電池容量和能量密度得到了顯著提升，以滿足更高的電源需求。充電 10 分鐘即可為設(shè)備供電一天，而充電一小時(shí)即可獲得 80% 的電量，這已成了高端用戶體驗(yàn)的趨勢(shì)。如果將快速充電要求和大型電池容量結(jié)合在一起考慮，便攜式設(shè)備的充電電流可以達(dá)到 4A 甚至更高。這種對(duì)大功率的需求給電池供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)了許多新的挑戰(zhàn)。

USB 供電

便攜式設(shè)備通常使用 5V USB 電源。傳統(tǒng) USB 端口如果使用 USB2.0 規(guī)范，最大輸出電流是 500mA，或若使用 USB3.0，最大輸出電流則為 900mA，這無(wú)法滿足便攜式設(shè)備的快速充電要求。USB 適配器(專用充電端口，即 DCP)使用微型 USB 連接頭即可將輸出電流提高到 1.8A。但令人遺憾的是，典型的 5V/2A 電源適配器只能提供 10W 的總功率。如果使用這種電源適配器作為充電器電源，那么電池充電器最多只能提供 2.5A 的充電電流，而這并不足以為 4,000mAh 及更高容量的電池組快速充電。為了提高功率，我們能否繼續(xù)增大 5V 電源適配器的輸出電流?如果我們?cè)黾映杀厩沂褂脤Ｓ镁€纜，理論上是可以的。但是，這種做法會(huì)受制于下列因素：

• 更高適配器電流(例如 2A 或更高)需要更粗的線纜和專門的 USB 連接頭，這會(huì)造成系統(tǒng)解決方案成本上升。此外，出于功率損耗和安全性問(wèn)題考慮，傳統(tǒng) USB 線纜也不能充分滿足需求。

• 根據(jù)線纜長(zhǎng)度和粗細(xì)的不同，適配器線纜的典型阻抗在 150 到 300mOhm 不等。高適配器輸出電流會(huì)造成整個(gè)線纜的壓降增大，進(jìn)而降低充電器輸入端的有效輸入電壓。當(dāng)充電器輸入電壓接近電池充電電壓時(shí)，充電電流會(huì)顯著降低，從而延長(zhǎng)充電時(shí)間。

以使用線纜電阻為 180mOhm 的 5V/3A 適配器為例，線纜上的壓降為 540mV。這樣充電器的輸入電壓就是 4.46V。我們假定充電器輸入端到電池組的總電阻為 150mOhm，這包括充電器功率 MOSFET 的導(dǎo)通電阻和電感器的 DC 電阻。即使充電器能夠支持 3A 的電流，但對(duì) 4.35V 鋰離子電池充電而言，最大充電電流僅為 730mA。不足 1A 的充電電流顯然不能高到能滿足快速充電的需要。

根據(jù)上述分析，必須提高電源輸入電壓，才能提供足夠的電壓避免充電器進(jìn)入低壓降模式。出于這些制約因素，如果系統(tǒng)要求的功率大于 10W 或 15W，最好使用高電壓適配器，比如 9V 或者 12V。在相同的功率下，高電壓適配器不僅需要較低的輸入電流，而且還具有更大的輸入電壓裕度，可提供電池充滿電的電壓。高電壓適配器唯一的局限性是存在向后兼容性問(wèn)題。將高電壓適配器插入到用于支持 5V 輸入的便攜式設(shè)備上，如果系統(tǒng)不關(guān)閉(由于過(guò)壓保護(hù))，設(shè)備也會(huì)遭到損壞(由于缺乏足夠的高電壓保護(hù))。

由于這些限制性因素的存在，USD 供電適配器等眾多新型混合式高電壓適配器正在涌入市場(chǎng)。這類混合電電壓適配器的共同特性是能夠通過(guò)適配器與系統(tǒng)控制器之間的握手來(lái)識(shí)別系統(tǒng)的電壓需求。該適配器以 5V 為起步輸出來(lái)作為默省值。只有在系統(tǒng)確認(rèn)其能支持較高電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)快速充電時(shí)，才會(huì)將電壓抬升到更高的 9V 或 12V。系統(tǒng)與適配器之間的通信可使用 VBUS 實(shí)現(xiàn)，也可借助專門的握手算法或信號(hào)來(lái)通過(guò) D+ 和 D- 線路實(shí)現(xiàn)。這種新型混合、可調(diào)節(jié)電壓適配器不僅也能用作通用電源，同時(shí)還支持作為普通電源的傳統(tǒng) 5V 電壓和用于快速充電的高輸入電壓系統(tǒng)。

快速電池充電

我們能否通過(guò)一些特別的電池充電方案在不提高輸入功率或增大充電電流的情況下縮短充電時(shí)間呢?要想找到答案，我們需要先來(lái)了解一下電池充電周期。

在電池充電周期中存在兩種工作模式：恒流 (CC) 模式和恒壓 (CV) 模式。當(dāng)電池電壓低于穩(wěn)壓充電電壓時(shí)，充電器便以 CC 模式工作。一旦感測(cè)到電池組端電壓達(dá)到預(yù)先設(shè)定的穩(wěn)壓電壓時(shí)，即進(jìn)入 CV 模式。當(dāng)實(shí)際電池電流達(dá)到終止電流時(shí)，電池充電即告結(jié)束。終止電流通常相當(dāng)于整個(gè)快速充電電流的 5% 到 10%。

在理想的充電系統(tǒng)中，電池組本身沒(méi)有任何電阻，僅存在恒流模式。它沒(méi)有 CV 充電模式，充電時(shí)間最短。其原因在于，只要充電電壓達(dá)到穩(wěn)壓充電電壓，充電電流就會(huì)立即下降到零并達(dá)到充電終止電流。

但是，在實(shí)際電池充電系統(tǒng)中，從電池電壓感測(cè)點(diǎn)到電池之間存在一系列電阻。這些電阻包括：1) PCB 線跡電阻;2) 兩個(gè)電池充放電保護(hù) MOSFET 的導(dǎo)通電阻;3) 在電量監(jiān)測(cè)計(jì)起過(guò)流保護(hù)作用且用于測(cè)量電池充放電電流的電流感應(yīng)電阻;以及 4) 與電池老化狀況、溫度和充電狀態(tài)呈函數(shù)關(guān)系的電池內(nèi)部電阻。

在對(duì)新電池使用 1C 充電速率時(shí)，充電器使用大約 30% 的充電時(shí)間工作在 CC 模式下，就可充足大約 70% 的電池容量。相反，充電器需要工作在 CV 模式下用總充電時(shí)間的 70% 才能充滿剩余 30% 的電池容量。電池組的內(nèi)部電阻越大，處于 CV 模式下的充電時(shí)間就越長(zhǎng)。只有當(dāng)電池開(kāi)路電壓達(dá)到最大充電電壓時(shí)，電池才能完全充滿。如果電池充電電壓感測(cè)點(diǎn)與實(shí)際電池之間存在較大電阻，那么即便電池組感測(cè)到電壓達(dá)到穩(wěn)壓電壓后，真正的電池開(kāi)路電壓仍然低于所需的穩(wěn)壓電壓。[!--empirenews.page--]

對(duì)于智能手機(jī)和平板電腦等使用 4A 或更大充電電流的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，面臨的困難更大。在如此大的充電電流下，PCB 線跡或電池組內(nèi)部電阻器上的壓降會(huì)顯著增大。這會(huì)造成充電器過(guò)早進(jìn)入 CV 模式，造成充電時(shí)間拖長(zhǎng)。如何才能縮短因這種高壓降拖長(zhǎng)的充電時(shí)間呢?

通過(guò)密切監(jiān)測(cè)充電電流，就能準(zhǔn)確地實(shí)時(shí)估算充電路徑中的壓降。這種稱為 IR 補(bǔ)償?shù)碾娮柩a(bǔ)償技術(shù)能通過(guò)提高電池穩(wěn)壓電壓來(lái)補(bǔ)償充電路徑中的額外壓降。采用該技術(shù)，充電器就能盡可能長(zhǎng)時(shí)間地工作在恒流穩(wěn)壓模式下，直至實(shí)際電池開(kāi)路電壓極為接近所需的電壓值。這樣，處于 CV 模式下的充電時(shí)間就能顯著縮短，讓總充電時(shí)間縮短達(dá) 20%。

系統(tǒng)散熱優(yōu)化

要實(shí)現(xiàn)快速充電功能，就需要使用 9V/1.8A 和 12V/2A 等較高功率適配器。另外，除了為電池充電，電池充電器還能為系統(tǒng)供電。這樣它就成了便攜式電源設(shè)備中溫度最高的組件之一。為了提供更理想的終端用戶體驗(yàn)，設(shè)備外殼的溫度和環(huán)境溫度之間的最大差異應(yīng)不超過(guò) 15°C。由于這個(gè)原因，電池充電器的電源轉(zhuǎn)換效率和系統(tǒng)散熱性能需要滿足更加嚴(yán)格的要求。如何才能同時(shí)實(shí)現(xiàn)最佳的散熱性能和最理想的效率呢?

圖 1：本方框圖代表 4.5A I2C 高效率開(kāi)關(guān)充電器

圖 1 是 4.5A 高效率開(kāi)關(guān)模式充電器的簡(jiǎn)化應(yīng)用電路圖。該充電器可同時(shí)支持 USB 和 AC 適配器，而且所有 MOSFET 均內(nèi)部集成。MOSFET Q2 和 Q3 以及電感器 L 組成了基于同步開(kāi)關(guān)降壓的電池充電器。這種組合能盡可能實(shí)現(xiàn)最高的電池充電效率，而且能充分運(yùn)用適配器功率實(shí)現(xiàn)最快的充電速度。MOSFET Q1 可用作電池反向阻斷 MOSFET，防止電池通過(guò) MOSFET Q2 的體二極管漏電到輸入端。此外，它還可用作能監(jiān)控適配器電流的輸入電流感測(cè)元件。MOSFET Q4 可用于主動(dòng)監(jiān)控電池充電電流。設(shè)計(jì)中使用的全部 FET 應(yīng)有足夠低的導(dǎo)通電阻才能實(shí)現(xiàn)高效率。要進(jìn)一步提升散熱性能，還可采用散熱穩(wěn)壓環(huán)路。當(dāng)結(jié)溫達(dá)到預(yù)定義的結(jié)溫值時(shí)，其可通過(guò)降低充電電流來(lái)避免突破最大結(jié)溫限制。

圖 2：不同充電電流下的充電時(shí)間比較：2.5A 與 4.5A

實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

圖 2 顯示了充電電流與充電時(shí)間之間的關(guān)系。很容易理解，只要電池充電電流的速率沒(méi)有超過(guò)電池制造商指定的最大電流速率，那么使用大充電電流就能加快充電速度。如圖 2 所示，充電時(shí)間可以縮短 30%。換言之，當(dāng)充電電流從 2.5A 增大到 4.5A 時(shí)，充電時(shí)間就會(huì)從 269 分鐘縮短到 206 分鐘。

圖 3 顯示了將 IR 補(bǔ)償技術(shù)用于實(shí)際充電器設(shè)計(jì)所獲得的充電時(shí)間縮短的優(yōu)勢(shì)。充電時(shí)間縮短 17%，就可從 234 分鐘縮短到 200 分鐘。

圖 3：使用 IR 補(bǔ)償法的快速充電對(duì)比。同樣使用 4.5A 充電電流，充電時(shí)間可從 234 分鐘縮短到 200 分鐘。在給單節(jié) 8,000mAh 電池充電時(shí)，只需補(bǔ)償 70mOhm 電阻，無(wú)需增加額外成本和造成額外散熱影響，就可實(shí)現(xiàn)這一結(jié)果。

總結(jié)

對(duì)于眾多便攜式設(shè)備而言，快速充電正變得前所未有地重要。但這要求在實(shí)際充電系統(tǒng)中納入全新的設(shè)計(jì)思路，包括使用新型高電壓適配器、優(yōu)化充電電流和散熱等。此外，還需要高級(jí)充電模式來(lái)優(yōu)化充電時(shí)間，延長(zhǎng)電池使用壽命。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)用于快速充電的效能。