開(kāi)關(guān)電池充電方案應對便攜設備充電挑戰

近年來(lái)，智能手機、平板電腦等便攜設備市場(chǎng)強勁發(fā)展，更大尺寸的屏幕日漸流行，消費者對應用處理器、圖形處理器及外設的電源管理體驗的要求越來(lái)越高。這些促使便攜設備采用更大容量的電池，如一些最新智能手機配備了2000 mAh甚至達3000 mAh電池，電池生態(tài)系統趨勢也隨之發(fā)生了重大變化。

此外，許多便攜設備的輸入連接也從專(zhuān)有方案轉為微型USB插口；USB供電(rev 1.0 Jul 2012) 標準的發(fā)布，更能適應最新的便攜設備USB端口的供電要求。這些都迫切需要既可提高能效又滿(mǎn)足上述要求的技術(shù)解決方案。推動(dòng)高能效創(chuàng )新的安森美半導體新推出了NCP185x系列開(kāi)關(guān)電池充電方案，幫助設計工程師應對便攜設備大容量電池的快速充電挑戰，并幫助優(yōu)化用戶(hù)體驗。

采用新穎的自動(dòng)輸入限流器(AICL)技術(shù)實(shí)現更快速充電

電池充放電管理在便攜設備設計的合理性和可靠性方面至關(guān)重要。電池充放電的挑戰之一是需要強固性、高能效及快速充電時(shí)間來(lái)滿(mǎn)足當今高性能、空間受限型應用的要求。而大容量電池需要更大的充電電流來(lái)縮短充電時(shí)間。

傳統線(xiàn)性電池充電方式(包括脈沖方式)在大電流下存在效率較低、發(fā)熱量大等問(wèn)題。與線(xiàn)性解決方案相比，開(kāi)關(guān)充電方案有明顯的優(yōu)勢，如可從輸入轉換更多的電能至輸出；工作能效更高，可降低能耗及簡(jiǎn)化手機設計；在輸入源受限時(shí)(如采用5 V，500 mA USB端口充電)，能提供更大的電流。綜合上述優(yōu)勢，開(kāi)關(guān)電池充電器件的充電速度可比線(xiàn)性電池充電器快30%。

由于手機等設備無(wú)法知道用戶(hù)使用的電源適配器或USB端口的負載電流能力，所以充電管理器件必須具有檢測適配器或USB端口負載電流的功能，以確保手機設備在安全電流條件下工作。在充電結束后，充電管理器件應斷開(kāi)與系統的連接，系統從外部電源取電；只有當外部電源移出時(shí)，系統才從電池取電。

安森美半導體的NCP185x系列開(kāi)關(guān)電池充電器件就是一種新的充電技術(shù)。其充電過(guò)程迅速，具有自動(dòng)輸入限流(AICL)功能；在充電結束時(shí)還可自動(dòng)斷開(kāi)電池連接，延長(cháng)電池壽命。它可以提供更大的輸出電流，效率高達85％，發(fā)熱量小，實(shí)現更快、更安全高效的充電，有助于提升用戶(hù)體驗；還可以提高系統穩定性，簡(jiǎn)化系統設計。

NCP185x系列在輸入源受限的情況下，采用符合100 mA、500 mA、900 mA或1.5 A USB充電規范的輸入電流限制器，利用自動(dòng)檢測模式在最大充電電流時(shí)進(jìn)行調整，使其適應輸入源的能力，并可縮短最少達10分鐘的總體充電時(shí)間。

充電結束時(shí)自動(dòng)斷開(kāi)電池連接，延長(cháng)電池使用壽命

不少用戶(hù)經(jīng)常抱怨電池壽命短，許多便攜系統的電池壽命在使用幾個(gè)月后就受到明顯影響，原因是電池在充電結束后還一直在充電。優(yōu)化電池總體壽命的方法是在充電結束時(shí)電池連接即自動(dòng)斷開(kāi)。安森美半導體NCP185x帶有充放電路徑管理功能，可以在系統充電結束時(shí)自動(dòng)斷開(kāi)電池連接，系統僅從外部帶有適配器或USB端口取電，僅在出現峰值電流活動(dòng)(大于外部電源適配器所能提供的電流，如使用GSM)時(shí)，才導通電池與系統之間連接，短時(shí)間從系統補充電流，其他時(shí)間電池與系統保持管理。在外部電源連接情況下，系統優(yōu)先從外部適配器取電，以保存電池電量，延長(cháng)電池使用時(shí)間，如圖2所示。

如果使用不帶充放電路徑管理的器件，充電結束后，充電模塊關(guān)閉，系統開(kāi)始從電池取電，電池電壓隨之降低，一旦電壓降低到一個(gè)門(mén)限值，充電周期重新開(kāi)始，使電池經(jīng)常處于充放電、再充電循環(huán)之中，容易造成電池過(guò)早老化。

即時(shí)導通技術(shù)改善用戶(hù)體驗

電池充電的另一個(gè)挑戰是需要改善用戶(hù)體驗。用戶(hù)時(shí)常有這樣的疑問(wèn)：為什么電池電量低時(shí)我要充電5分鐘后系統才能導通系統？這是因為當用戶(hù)連接便攜設備充電的同時(shí)，通常也需要使用設備。令人尷尬的是，即使是最新型設備也要求約5分鐘的初始充電，然后才允許系統啟動(dòng)及使用。如果采用雙路徑管理(DPM)技術(shù)，即可在插入充電線(xiàn)纜時(shí)立即導通便攜設備。

NCP185x系列就應用了這樣的即時(shí)導通系統技術(shù)，由于器件內集成的電流源可為電池充電，即使電池電壓非常低，當用戶(hù)插入電源適配器時(shí)，也可使系統電壓保持在3.6V，讓系統立即開(kāi)啟，無(wú)需等待；另外，內部集成的一個(gè)5 V升壓器支持USB On-The-Go(OTG)反向供電，或用于HDMI接口的DDC電壓供電，可以一邊安全地給電池充電，一邊單獨為系統供電，如圖3所示。當電池電壓達到3.4 V時(shí)預充電結束，外部充電MOS管導通，系統電壓跟隨電池電壓。傳統充電器在電池電量低時(shí)，電池需要預充電一段時(shí)間，等待電池電壓恢復到最低電壓以上才能開(kāi)機。

安森美半導體的器件還支持死電池激活。當電池電壓低于2.2 V時(shí)，開(kāi)關(guān)充電器件提供10 mA小電流激活電池。此時(shí)系統仍可立即開(kāi)機。

支持USB OTG附件

對于平板電腦來(lái)說(shuō)，通常需要支持USB OTG功能。USB OTG附件要求便攜設備在USB事務(wù)處理中充當USB主機，在VBUS線(xiàn)路上提供5 V輸出電壓，供外設使用；一些智能手機帶有HDMI輸出接口，也需要一個(gè)5 V DDC電壓。這通常要使用外部升壓直流-直流(DC-DC)轉換器將電池電壓升壓至5 V、500 mA的穩壓電壓軌。NCP185x系列器件集成了一個(gè)5 V升壓器，能支持USB OTG附件或HDMI輸出接口，最大提供500 mA電流，并省去了一個(gè)外部升壓轉換器。NCP185x系列接地的ID引腳可以識別USB OTG附件，應用反向升壓轉換器來(lái)提供5 V、500 mA輸出，不僅可以支持USB OTG功能，還可以為物料單(BOM)節省1顆額外電感。