針對手機應用改良電池充電IC的設計原理

我們現在處于一個(gè)全球無(wú)線(xiàn)互聯(lián)的時(shí)代，幾乎沒(méi)有什么比時(shí)刻保持手機或移動(dòng)上網(wǎng)設備處于通電狀態(tài)來(lái)的重要。隨著(zhù)便攜式和手持式設備上的功能不斷擴展，電池充電器IC的設計人員也面臨嚴峻的考驗。高分辨率屏幕，更大的存儲能力以及設備上的新功能都增加了電池的負荷，這不僅僅需要更好的電池充電技術(shù)，而且還需具備高效的電源管理能力。

降低功耗以延長(cháng)電池壽命，這一直是手持式電源管理的源動(dòng)力。然而，現在消費者對充電器的充電效率也有所期待，希望能夠縮短設備的充電時(shí)間，新一代的充電器設計采用開(kāi)關(guān)充電器替代傳統的線(xiàn)形充電器，除了提供傳統線(xiàn)形充電器所擁有的高效率之外，最大的優(yōu)勢就是能提高由電源提供的充電電流。當USB端口斷電時(shí)，可用的電流被限制在可能不到500mA，而此時(shí)，這個(gè)優(yōu)勢就顯得尤為重要。更高的電流意味著(zhù)更短的充電時(shí)間，這完全符合消費者的需求。

現在，大多數手持式設備都采用了兩種電池充電器，一種是線(xiàn)性充電器，另一種是開(kāi)關(guān)充電器。線(xiàn)性充電器已有較長(cháng)的歷史，充電方式比較簡(jiǎn)單有效，噪聲很小，且沒(méi)有太多外部元件。但是，隨著(zhù)便攜式設備越來(lái)越復雜，新功能層出不窮，高容量電池的需求就更加強烈。線(xiàn)形充電器的缺點(diǎn)是功耗太大，特別是在設備邊充電邊使用的時(shí)候尤為明顯，此時(shí)產(chǎn)生的熱量可能損壞系統或電池。

可供選擇的有開(kāi)關(guān)充電器或開(kāi)關(guān)模式電池充電器IC，它可以使用盡可能少的電量，為電池提供更高的電流。從過(guò)往經(jīng)驗來(lái)看，這類(lèi)IC一般會(huì )存在一些噪聲問(wèn)題。此外，前幾代的開(kāi)關(guān)式充電器還需要一些外部元件。

然而，開(kāi)關(guān)式電池拓撲結構的優(yōu)勢也是顯而易見(jiàn)。這些優(yōu)勢包括更高的效率和更低的功耗，還有更短的充電時(shí)間。此類(lèi)裝置還能利用較高的輸入電壓充電，使用成本較低的非穩壓適配器。還可以提高來(lái)自限流電流源的充電電流。

開(kāi)關(guān)充電器通常在輕負載運行時(shí)會(huì )產(chǎn)生噪聲，特別是在預處理過(guò)程中。隨著(zhù)噪聲的減少，開(kāi)關(guān)充電器會(huì )進(jìn)入脈沖跳躍(pulse skipping)模式運行。在脈沖跳躍模式中，PWM頻率異步變化。目前開(kāi)發(fā)的電池充電器IC，可以在使用開(kāi)關(guān)充電器時(shí)提供高充電電流，且對系統的熱影響非常小，而在低電流充電模式下切換到線(xiàn)性充電器，以減少噪聲。這種可提供線(xiàn)性模式的PWM開(kāi)關(guān)模式充電器可以在全恒流(快速充電)條件下實(shí)現高效率。開(kāi)關(guān)充電器可利用PWM開(kāi)關(guān)穩壓器控制高達2A的恒流充電。當電池處于預處理過(guò)程以及恒壓尖峰(taper)充電模式快結束時(shí)，設備會(huì )自動(dòng)轉換到線(xiàn)形模式，以降低噪聲，并利用開(kāi)關(guān)模式加快充電。一旦充電電流值低于300mA，線(xiàn)性模式會(huì )完全啟動(dòng)，開(kāi)關(guān)轉換器產(chǎn)生的噪聲就會(huì )消除。

但是，現在充電技術(shù)有了進(jìn)一步的發(fā)展。例如，一種用于新型手持式設備的單節鋰離子/聚合物電池充電器解決方案，它的充電電流高達1A，具備先進(jìn)的電充滿(mǎn)顯示功能，可以實(shí)現全程充電系統監控。符合USB標準的100mA/500mA充電電流設置有助于實(shí)現可編程預充電和快速充電。許多產(chǎn)品還具備電池溫度監測功能，以確保安全充電。

Intersil等公司正在開(kāi)發(fā)新一代充電器IC技術(shù)。這些完全集成的解決方案非常適合緊湊型應用，還能為高功率應用提供充電控制功能。目前，充電電壓精度能達到0.5%，較前幾年的1%有很大改善。開(kāi)關(guān)頻率可達3MHz，而且新型開(kāi)關(guān)充電器可提供高達2A的充電電流，最新的一個(gè)應用實(shí)例是ISL9220，它適用于一節和兩節鋰離子電池應用。

另外，新設計還可以限制泄漏，目前在沒(méi)有加上輸入功率時(shí)，典型的泄漏電流已低于0.5uA。而且這些改進(jìn)還可以用于更小的封裝，如4mm×4mm QFN或2mm×2mm CSP，以節省手持式設備的設計空間。

最新的電池充電器IC還能夠監視輸入電壓、電池電壓和充電電流。當三個(gè)參數中任意一個(gè)超出特定限額時(shí)，該IC就會(huì )關(guān)閉內部N溝道MOSFET，使充電系統停止對電池充電。利用這些重要的器件可以靈活地提高效率，這對持續增長(cháng)、功能不斷擴充的移動(dòng)、手持式產(chǎn)品是至關(guān)重要的。