基于線性化充電器的系統(tǒng)設計

現今成就卓著的便攜式設備，諸如智能電話、PDA以及便攜式媒體播放器越來越多的應用鋰離子(Li-Ion)電池。此類可充電電池的高需求量促使眾多的第三方供應商不斷開發(fā)出諸如充電座(charging cradle)及充電適配器等附件。此類充電適配器價格低廉，但充電特性及保護功能往往與原廠的OEM適配器有所差別，將會影響到總體的系統(tǒng)性能及可靠性。如果充電器級的設計包含了以下特性，則可實現一個強健的系統(tǒng)，適用于所有的外部AC適配器：  

抑制瞬變電壓尖刺的保護  

非穩(wěn)壓適配器的輸出電壓特性  

散熱管理及失效保護本文將探討在使用不同范圍的AC適配器時上述參數在系統(tǒng)層次上的影響，并討論如何使用線性化的充電器（具有諸如過壓保護、散熱調節(jié)及動態(tài)計時器的特性）設計出更強健的系統(tǒng)。文中還引用了TI的bq2406X系列作為線性化充電器家族的示例，展示了一系列以滿足以上要求為目的的線性充電器。  

多種多樣的AC適配器  

當今便攜式系統(tǒng)設計方面的主要問題之一在于適應寬范圍輸入供電源的需求，例如AC適配器、USB纜線或車載/空載的直流輸出。將適配器以低廉的價格推向市場，取代了原本昂貴的原廠(OEM)適配器，從而促進了眾多供應商的開發(fā)歷程，使可充電便攜式設備獲得了廣泛的成就。此類最流行的供電源，如交流適配器，通常可根據其特性劃分為兩部分：穩(wěn)壓適配器(regulated adaptor)，典型的OEM適配器；非穩(wěn)壓適配器(unregulated adaptor)，典型的配件供貨適配器。  

穩(wěn)壓適配器的輸出電壓通過內置電路提供非常優(yōu)良的線路及負載調節(jié)。而相反的，非穩(wěn)壓適配器所提供的輸出電壓則取決于負載，線路負載調節(jié)能力不強。適配器在過電流狀態(tài)下的行為也有所差別。穩(wěn)壓適配器在進入過電流區(qū)域時通常具有更為陡峭的過渡區(qū)(transition region)，如圖1所示。  


  
圖1：穩(wěn)壓及非穩(wěn)壓型AC適配器的特性  

輸入瞬變及過電壓狀態(tài)  

現今的便攜式設備設計于通過上述類型的適配器進行供電，必須整合保護功能，以使得過電壓狀態(tài)下終端設備的風險最小化。過電壓狀態(tài)可分類為兩種模式：直流過電壓以及瞬變過電壓。  

通常情況下，直流過電壓源于所插入的配件供貨或非標準適配器上錯誤的輸出電壓。另一方面，瞬變過電壓則發(fā)生于終端設備熱插入適配器的瞬間。瞬變過電壓可輕易的達到2倍的正常適配器輸出電壓，如圖2所示。  


  
圖2：5V、1A適配器（1uF及10uF輸入電容狀態(tài)下）的熱插入瞬變特性  

在適當設計時，充電器級可用于將電池和系統(tǒng)與外部供電源隔離，如圖3所示。在此類拓撲中，電池組及系統(tǒng)的正極終端被連接至充電級的輸出。充電器功率級有效的隔離了外部適配器與系統(tǒng)供電總線。  

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圖3：充電器級將外部供電源與電池和系統(tǒng)隔離  

如圖3所示的拓撲可實現強健的設計，其充電器級整合了輸入過電壓保護(OVP)功能，可監(jiān)測輸入電壓并在探測到直流過電壓狀態(tài)時使充電器級失效。當充電器級失效時，系統(tǒng)的供電總線與適配器的輸出完全隔離。對于5V的穩(wěn)壓適配器，輸入過電壓保護限制通常設定為6.5V。bq2406X系列提供了6.5V及10.5V的選項以同時適應于穩(wěn)壓及非穩(wěn)壓型的適配器。  

為隔離并保護系統(tǒng)及電池免受外部電源瞬變過電壓狀態(tài)的損害，充電器級應具有約2倍于一般額定適配器電壓的輸入電壓限定范圍。  

需要注意的是，在上述所討論的拓撲中，若最小化系統(tǒng)電流（例如待機[stand-by]模式下）高于結束(termination)電流限，則可能產生潛在的鎖定(lock out)狀態(tài)。在系統(tǒng)電流超過結束電流限之時，終止將無法進行檢測。安全計時器將被激活，充電器級將在電池充至滿容量之前就掉電(power down)。為解決該潛在的問題，bq2406X系列針對設備在電池充電器開啟時高功率模式，提供了失效及安全計時器選項，以及充電終止功能。  

散熱管理及失效保護  

線性化充電器中至系統(tǒng)供電總線的高輸入電壓差分將導致芯片溫度上升，乃至超過最大結點溫度(junction temperature)值并產生熱燒毀。為避免該問題，此類設計必須考慮強健的散熱管理配置，同時包括了熱關斷(thermal shutdown)及熱調節(jié)(thermal regulation)。  

依照一般的規(guī)則，所有的集成充電器IC都必須具有熱關斷，一旦IC的內部結點溫度超過最大結點溫度值，熱關斷將被觸發(fā)，以確保運轉過程中不會產生熱燒毀。在典型的應用中，當充電電流1A而充電電壓高于電池電壓2-3V時，熱關斷將被激活。激活狀態(tài)下，熱關斷電路將關閉充電器功率級，以避免熱燒毀。通常的熱關斷電路都具有設計上的滯后效應。當芯片溫度降低，功率級方可重新開啟。若芯片溫度再度上升，熱關斷電路將再次被觸發(fā)。其散熱所維持時間可達數秒，取決于PCB的布板，此類工作模式在以充電狀態(tài)LED指示時一般被稱為“閃光”（"flashing"）模式。  

為解決此類散熱問題，可添加一個散熱回路，以降低充電電流，確保IC結點溫度低于熱關斷限。如圖3所示，bq2406X系列線性化充電器添加了散熱回路以支持運轉。散熱回路在激活狀態(tài)下可有效的降低充電電流，降低充電器級供電MOSFET的功耗。  


  
圖4：散熱回路在輸入電壓瞬變情況下的運轉  

需要注意到，具有散熱回路的線性化充電器在輸入電壓過高的情況下，充電電流可降至非常低的值。在此類狀況下，失效終止(false termination)可針對充電電流是否降至低于結束限進行檢測。為避免此問題，bq2406X將在散熱回路激活時使終止失效。  

動態(tài)計時器控制  

充電安全計數器用于檢測失效狀態(tài)，如果充電周期持續(xù)超過正常狀態(tài)下所期望的總體時間，且充電電流等于額定的快速充電電流，則判斷失效。在散熱回路激活狀態(tài)下，充電電流降低。若是散熱回路在較長的一段時間內被激活，那么失效安全計數器的錯誤狀態(tài)即可觀察得出。為避免不期望的錯誤狀態(tài)，bq2406X充電器IC采用了動態(tài)計時器控制(DTC)，其內置電路通過編程調整計時終止輸出的時間值，降低安全計數器的時鐘效率。DTC電路將在散熱回路被激活時同時啟動。  

散熱調節(jié)功能，并結合DTC電路，提供了強健的散熱管理及失效保護配置，以保護充電器級和系統(tǒng)免遭瞬變或其它過電壓狀態(tài)所造成的散熱錯誤。  

結論  

在此所討論的便攜式設備在廠商之間存在著激烈的競爭，且持續(xù)著革新及差異化。隨著便攜式設備所安置的使用環(huán)境越來越嚴苛--例如，在炎熱的夏日將電話放置在汽車內充電，或是插入了廉價的配件供貨或錯誤的適配器--終端用戶將延續(xù)其在強健性及穩(wěn)定性方面對便攜式設備的挑戰(zhàn)。一類產品與其它產品的主要區(qū)別體現在當出現上述不期望的狀態(tài)時，設備的穩(wěn)定性、可靠性以及強健性。