多功能結合線(xiàn)性充電器穩健的系統設計

隨著(zhù)便攜式設備所處的環(huán)境越來(lái)越嚴苛，便攜式終端用戶(hù)將繼續面臨穩健性及穩定性方面的挑戰。某類(lèi)產(chǎn)品與其他產(chǎn)品的主要區別體現在各種苛刻環(huán)境中，設備的穩定性、可靠性以及穩健性的不同。bq2406X 產(chǎn)品系列具有獨特的輸入過(guò)電壓保護、散熱調節以及 DTC 功能，實(shí)現了一款穩健的系統設計。

現代便攜式設備相當普及，同時(shí)越來(lái)越A以及便攜式媒體播放器已開(kāi)始使用鋰離子(Li-Ion)技術(shù)>電池。此類(lèi)可充電電池的高需求量促使眾多的第三方廠(chǎng)商不斷開(kāi)發(fā)出諸如充電座及充電適配器等附件。此類(lèi)充電適配器雖不昂貴，但其充電特性及保護功能往往與原OEM廠(chǎng)商生產(chǎn)的適配器有所差及可靠性。如果在充電器級的設計過(guò)程中謹記以下特性，則可實(shí)施一個(gè)適用于所有的外部AC適配器的穩健系統：

1. 抑制瞬態(tài)電壓峰值的保護；

2. 非穩壓適配器的；

3. 散熱管理及故障保護產(chǎn)品系列的示例，展示了一系列以滿(mǎn)足上述要求為目的的線(xiàn)性充電器。

多種多樣的AC適配器

當今便攜式系統設計方面的主要問(wèn)題之一在于適應寬輸入電源范圍的需求，例如AC適配器、USB線(xiàn)纜或車(chē)載/空載的直流輸出。將適配器以低廉的價(jià)格推向市場(chǎng)，取代了昂貴的原始設備制造商(OEM)制造的適配器，從而促進(jìn)了眾多廠(chǎng)商的發(fā)展，使可充電便攜式設備取得了很大成功。此類(lèi)最流行的電源，如AC適配器，通?？筛鶕涮匦詣澐譃閮煞N：穩壓適配器(原廠(chǎng)配件)以及非穩壓適配器(普通的配件適配器)。

穩壓適配器的輸出電壓通過(guò)內部電路提供非常優(yōu)良的線(xiàn)路及負載調節。而非穩壓適配器所提供的輸出電壓則取決于負載。線(xiàn)路負載調節能力不強，適配器在過(guò)電流狀態(tài)下的行為也有所差別。穩壓適配器在進(jìn)入過(guò)電流區域時(shí)通常具有更為陡峭的過(guò)渡區(transition region)。

輸入瞬變和過(guò)電壓狀態(tài)

當今，靠上述適配器供電的便攜式設備在設計時(shí)必須整合保護功能，將過(guò)電壓損壞終端設備的風(fēng)險降到最小。過(guò)電壓可為兩種模式：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或非標準適配器上錯誤的輸出電壓。另一方面，將適配器熱插入終端設備時(shí)，就會(huì )出現瞬變過(guò)電壓。瞬變過(guò)電壓可輕松地達到正常適配器輸出電壓的2倍，如圖1所示。

如果設計合理，充電器級可用于將外部電源與電池和系統隔離，如圖2所示。在該拓撲結構中，電池組及系統的正極終端被連接至充電器的輸出。充電器功率級有效地將外部適配器與系統電源總線(xiàn)隔離。

拓撲結構以后就得到了一種穩健的設計，其充電器級整合了輸入過(guò)電壓保護(OVP)功能，以監測輸入電壓并在探測到直流過(guò)電壓時(shí)關(guān)閉充電器級。當充電器級關(guān)閉時(shí)，系統的電源總線(xiàn)與適配器的輸出完全隔離。對于5V的穩壓適配器而言，其輸入過(guò)電壓保護閾值通常設定為6.5V。bq2406X系列提供了6.5V及10.5V的選擇以適用于穩壓和非穩壓適配器。

為隔離并保護系統和電池免受外部電源瞬變過(guò)電壓的損害，可以使用具有約2倍于一般適配器額定電壓的寬輸入電壓范圍的充電器級。

需要注意的是，在上述所討論的拓撲結構中，若最小的系統電流(例如待機模式下)高于終止電流閾值，則可能會(huì )產(chǎn)生鎖死情況。如果系統電流高于終止電流閾值，那么將無(wú)法對終止電流進(jìn)行檢測。安全計時(shí)器將被激活，充電器級將在電池充至滿(mǎn)容量之前就斷電。為解決可能發(fā)生的該問(wèn)題，當設備處于高功率模式而電池充電器處于開(kāi)啟模式時(shí)，bq2406X系列提供了一個(gè)關(guān)閉安全計時(shí)器以及充電終止功能的選項。

散熱管理與故障保護

線(xiàn)性充電器中至系統電源總線(xiàn)的高輸入電壓差分可導致裸片溫度上升，甚至會(huì )超過(guò)最高的結點(diǎn)溫度值并引起熱損壞。為避免該問(wèn)題發(fā)生，此類(lèi)設計必須考慮使用包含了熱關(guān)斷及熱調節功能的穩健的散熱管理解決方案。

通常，所有集成充電器IC都必須具有內部熱關(guān)斷功能，一旦IC的內部結點(diǎn)溫度超過(guò)了最高結點(diǎn)溫度值，熱關(guān)斷功能將被觸發(fā)，以確保運行過(guò)程中不會(huì )發(fā)生熱損壞。在典型的應用中，當充電電流大約為1A而充電器輸入電壓高于電池電壓2~3V時(shí)，熱關(guān)斷功能將被激活。在激活狀態(tài)下，熱關(guān)斷電路將關(guān)閉充電器功率級，以避免熱損壞。通常的熱關(guān)斷電路都具有設計上的滯后效應。當IC裸片溫度降低時(shí)，功率級才重新開(kāi)啟。裸片溫度會(huì )一直升高，直到熱關(guān)斷電路被再次激活。其散熱所維持時(shí)間可達數秒，維持時(shí)間取決于PCB的布局，該工作模式在以充電狀態(tài)LED指示時(shí)一般被稱(chēng)為“閃爍”(flashing)模式。

為解決此類(lèi)散熱問(wèn)題，可添加一個(gè)散熱環(huán)路，以降低充電電流并確保IC結點(diǎn)溫度低于熱關(guān)斷閾值。為bq2406X系列線(xiàn)性充電器添加了散熱環(huán)路的運行如圖2所示。散熱環(huán)路在激活狀態(tài)下可有效降低充電電流，降低充電器級功率MOSFET的功耗。

需要注意的是，具有散熱環(huán)路的線(xiàn)性充電器在輸入電壓過(guò)高的情況下，充電電流值可降至非常低。在此類(lèi)情況下，誤終止(false termination)可對充電電流是否降至低于終止閾值進(jìn)行檢測。為避免此問(wèn)題，bq2406X將在散熱環(huán)路激活時(shí)使終止功能關(guān)閉。

動(dòng)態(tài)計時(shí)器控制

充電安全計數器用于檢測故障條件，如果充電周期時(shí)長(cháng)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，則判斷出現故障。在散熱環(huán)路激活狀態(tài)下，充電電流降低。若是散熱環(huán)路在較長(cháng)一段時(shí)間內被激活，那么故障安全計數器的故障狀態(tài)即可觀(guān)察得出。為避免錯誤狀態(tài)的發(fā)生，bq2406X充電器IC激活了動(dòng)態(tài)計時(shí)器控制(DTC)，這是一個(gè)內置電路，其通過(guò)編程調整計時(shí)終止輸出的時(shí)間值來(lái)降低安全計數器的時(shí)鐘效率。DTC電路將在散熱環(huán)路被激活時(shí)同時(shí)開(kāi)啟。

散熱環(huán)路在輸入電壓瞬變情況下的運行。

散熱調節功能以及DTC電路提供了穩健的散熱管理及故障保護方法，以保護充電器級和系統免遭瞬變或其他過(guò)電壓狀態(tài)所引起的散熱故障。

本文小結

此處所討論的便攜式設備在各廠(chǎng)商之間存在著(zhù)激烈的競爭，并且在不斷進(jìn)行創(chuàng )新，差異化也在加強。隨著(zhù)便攜式設備所安置的使用環(huán)境越來(lái)越嚴苛(例如，在炎熱的夏日將電話(huà)放置在汽車(chē)內充電，或是插入了廉價(jià)的配件或錯誤的適配器)，終端用戶(hù)將繼續面對在穩健性及穩定性方面便攜式設備所帶來(lái)的挑戰。一類(lèi)產(chǎn)品與其他產(chǎn)品的主要區別體現在出現上述不希望出現的狀態(tài)時(shí)，設備的穩定性、可靠性以及穩健性的不同。bq2406X產(chǎn)品系列具有獨特的輸入過(guò)電壓保護、散熱調節以及DTC功能，造就了一款穩健的系統設計以解決這些問(wèn)題。系統設計工程師的職責就在于將此類(lèi)因素納入考慮，以確保其產(chǎn)品更智能、更穩健，以使其產(chǎn)品在眾多的產(chǎn)品中獨樹(shù)一幟，而不是“泯然眾人”。