線性化充電器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

現(xiàn)今成就卓著的便攜式設(shè)備，諸如智能電話、PDA以及便攜式媒體播放器越來(lái)越多的應(yīng)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(yīng)商不斷開(kāi)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(jià)格低廉，但充電特性及保護(hù)功能往往與原廠的OEM適配器有所差別，將會(huì)影響到總體的系統(tǒng)性能及可靠性。如果充電器級(jí)的設(shè)計(jì)包含了以下特性，則可實(shí)現(xiàn)一個(gè)強(qiáng)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(hù)  

非穩(wěn)壓適配器的輸出電壓特性  

散熱管理及失效保護(hù)本文將探討在使用不同范圍的AC適配器時(shí)上述參數(shù)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(guò)壓保護(hù)、散熱調(diào)節(jié)及動(dòng)態(tài)計(jì)時(shí)器的特性）設(shè)計(jì)出更強(qiáng)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(dāng)今便攜式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的主要問(wèn)題之一在于適應(yīng)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(jià)格推向市場(chǎng)，取代了原本昂貴的原廠(OEM)適配器，從而促進(jìn)了眾多供應(yīng)商的開(kāi)發(fā)歷程，使可充電便攜式設(shè)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?？筛鶕?jù)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(guò)內(nèi)置電路提供非常優(yōu)良的線路及負(fù)載調(diào)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(fù)載，線路負(fù)載調(diào)節(jié)能力不強(qiáng)。適配器在過(guò)電流狀態(tài)下的行為也有所差別。穩(wěn)壓適配器在進(jìn)入過(guò)電流區(qū)域時(shí)通常具有更為陡峭的過(guò)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(guò)電壓狀態(tài)  

現(xiàn)今的便攜式設(shè)備設(shè)計(jì)于通過(guò)上述類型的適配器進(jìn)行供電，必須整合保護(hù)功能，以使得過(guò)電壓狀態(tài)下終端設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)最小化。過(guò)電壓狀態(tài)可分類為兩種模式：直流過(guò)電壓以及瞬變過(guò)電壓。  

通常情況下，直流過(guò)電壓源于所插入的配件供貨或非標(biāo)準(zhǔn)適配器上錯(cuò)誤的輸出電壓。另一方面，瞬變過(guò)電壓則發(fā)生于終端設(shè)備熱插入適配器的瞬間。瞬變過(guò)電壓可輕易的達(dá)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(dāng)設(shè)計(jì)時(shí)，充電器級(jí)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?fù)渲?，電池組及系統(tǒng)的正極終端被連接至充電級(jí)的輸出。充電器功率級(jí)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(jí)將外部供電源與電池和系統(tǒng)隔離  

如圖3所示的拓?fù)淇蓪?shí)現(xiàn)強(qiáng)健的設(shè)計(jì)，其充電器級(jí)整合了輸入過(guò)電壓保護(hù)(OVP)功能，可監(jiān)測(cè)輸入電壓并在探測(cè)到直流過(guò)電壓狀態(tài)時(shí)使充電器級(jí)失效。當(dāng)充電器級(jí)失效時(shí)，系統(tǒng)的供電總線與適配器的輸出完全隔離。對(duì)于5V的穩(wěn)壓適配器，輸入過(guò)電壓保護(hù)限制通常設(shè)定為6.5V。bq2406X系列提供了6.5V及10.5V的選項(xiàng)以同時(shí)適應(yīng)于穩(wěn)壓及非穩(wěn)壓型的適配器。  

為隔離并保護(hù)系統(tǒng)及電池免受外部電源瞬變過(guò)電壓狀態(tài)的損害，充電器級(jí)應(yīng)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?fù)渲?，若最小化系統(tǒng)電流（例如待機(jī)[stand-by]模式下）高于結(jié)束(termination)電流限，則可能產(chǎn)生潛在的鎖定(lock out)狀態(tài)。在系統(tǒng)電流超過(guò)結(jié)束電流限之時(shí)，終止將無(wú)法進(jìn)行檢測(cè)。安全計(jì)時(shí)器將被激活，充電器級(jí)將在電池充至滿容量之前就掉電(power down)。為解決該潛在的問(wèn)題，bq2406X系列針對(duì)設(shè)備在電池充電器開(kāi)啟時(shí)高功率模式，提供了失效及安全計(jì)時(shí)器選項(xiàng)，以及充電終止功能。  

散熱管理及失效保護(hù)  

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(dǎo)致芯片溫度上升，乃至超過(guò)最大結(jié)點(diǎn)溫度(junction temperature)值并產(chǎn)生熱燒毀。為避免該問(wèn)題，此類設(shè)計(jì)必須考慮強(qiáng)健的散熱管理配置，同時(shí)包括了熱關(guān)斷(thermal shutdown)及熱調(diào)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(guān)斷，一旦IC的內(nèi)部結(jié)點(diǎn)溫度超過(guò)最大結(jié)點(diǎn)溫度值，熱關(guān)斷將被觸發(fā)，以確保運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生熱燒毀。在典型的應(yīng)用中，當(dāng)充電電流1A而充電電壓高于電池電壓2-3V時(shí)，熱關(guān)斷將被激活。激活狀態(tài)下，熱關(guān)斷電路將關(guān)閉充電器功率級(jí)，以避免熱燒毀。通常的熱關(guān)斷電路都具有設(shè)計(jì)上的滯后效應(yīng)。當(dāng)芯片溫度降低，功率級(jí)方可重新開(kāi)啟。若芯片溫度再度上升，熱關(guān)斷電路將再次被觸發(fā)。其散熱所維持時(shí)間可達(dá)數(shù)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(shí)一般被稱為“閃光”（"flashing"）模式。  

為解決此類散熱問(wèn)題，可添加一個(gè)散熱回路，以降低充電電流，確保IC結(jié)點(diǎn)溫度低于熱關(guān)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(yùn)轉(zhuǎn)。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(jí)供電MOSFET的功耗。  


  
圖4：散熱回路在輸入電壓瞬變情況下的運(yùn)轉(zhuǎn)  

需要注意到，具有散熱回路的線性化充電器在輸入電壓過(guò)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(duì)充電電流是否降至低于結(jié)束限進(jìn)行檢測(cè)。為避免此問(wèn)題，bq2406X將在散熱回路激活時(shí)使終止失效。  

動(dòng)態(tài)計(jì)時(shí)器控制  

充電安全計(jì)數(shù)器用于檢測(cè)失效狀態(tài)，如果充電周期持續(xù)超過(guò)正常狀態(tài)下所期望的總體時(shí)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(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)被激活，那么失效安全計(jì)數(shù)器的錯(cuò)誤狀態(tài)即可觀察得出。為避免不期望的錯(cuò)誤狀態(tài)，bq2406X充電器IC采用了動(dòng)態(tài)計(jì)時(shí)器控制(DTC)，其內(nèi)置電路通過(guò)編程調(diào)整計(jì)時(shí)終止輸出的時(shí)間值，降低安全計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘效率。DTC電路將在散熱回路被激活時(shí)同時(shí)啟動(dòng)。  

散熱調(diào)節(jié)功能，并結(jié)合DTC電路，提供了強(qiáng)健的散熱管理及失效保護(hù)配置，以保護(hù)充電器級(jí)和系統(tǒng)免遭瞬變或其它過(guò)電壓狀態(tài)所造成的散熱錯(cuò)誤。  

結(jié)論  

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