基于線(xiàn)性化充電器的系統設計要領(lǐng)

現今成就卓著(zhù)的便攜式設備，諸如智能電話(huà)、PDA以及便攜式媒體播放器越來(lái)越多的應用鋰離子(Li-Ion)電池。此類(lèi)可充電電池的高需求量促使眾多的第三方供應商不斷開(kāi)發(fā)出諸如充電座(charging cradle)及充電適配器等附件。此類(lèi)充電適配器價(jià)格低廉，但充電特性及保護功能往往與原廠(chǎng)的OEM適配器有所差別，將會(huì )影響到總體的系統性能及可靠性。如果充電器級的設計包含了以下特性，則可實(shí)現一個(gè)強健的系統，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(shí)上述參數在系統層次上的影響，并討論如何使用線(xiàn)性化的充電器（具有諸如過(guò)壓保護、散熱調節及動(dòng)態(tài)計時(shí)器的特性）設計出更強健的系統。文中還引用了TI的bq2406X系列作為線(xiàn)性化充電器家族的示例，展示了一系列以滿(mǎn)足以上要求為目的的線(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)題之一在于適應寬范圍輸入供電源的需求，例如AC適配器、USB纜線(xiàn)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)，取代了原本昂貴的原廠(chǎng)(OEM)適配器，從而促進(jìn)了眾多供應商的開(kāi)發(fā)歷程，使可充電便攜式設備獲得了廣泛的成就。此類(lèi)最流行的供電源，如交流適配器，通?？筛鶕涮匦詣澐譃閮刹糠郑悍€壓適配器(regulated adaptor)，典型的OEM適配器；非穩壓適配器(unregulated adaptor)，典型的配件供貨適配器。

穩壓適配器的輸出電壓通過(guò)內置電路提供非常優(yōu)良的線(xiàn)路及負載調節。而相反的，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)，如圖1所示。

輸入瞬變及過(guò)電壓狀態(tài)

現今的便攜式設備設計于通過(guò)上述類(lèi)型的適配器進(jìn)行供電，必須整合保護功能，以使得過(guò)電壓狀態(tài)下終端設備的風(fēng)險最小化。過(guò)電壓狀態(tài)可分類(lèi)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準適配器上錯誤的輸出電壓。另一方面，瞬變過(guò)電壓則發(fā)生于終端設備熱插入適配器的瞬間。瞬變過(guò)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。

在適當設計時(shí)，充電器級可用于將電池和系統與外部供電源隔離，如圖3所示。在此類(lèi)拓撲中，電池組及系統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供電總線(xiàn)。

如圖3所示的拓撲可實(shí)現強健的設計，其充電器級整合了輸入過(guò)電壓保護(OVP)功能，可監測輸入電壓并在探測到直流過(guò)電壓狀態(tài)時(shí)使充電器級失效。當充電器級失效時(shí)，系統的供電總線(xiàn)與適配器的輸出完全隔離。對于5V的穩壓適配器，輸入過(guò)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(shí)適應于穩壓及非穩壓型的適配器。

為隔離并保護系統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，若最小化系統電流（例如待機[stand-by]模式下）高于結束(termination)電流限，則可能產(chǎn)生潛在的鎖定(lock out)狀態(tài)。在系統電流超過(guò)結束電流限之時(shí)，終止將無(wú)法進(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)容量之前就掉電(power down)。為解決該潛在的問(wèn)題，bq2406X系列針對設備在電池充電器開(kāi)啟時(shí)高功率模式，提供了失效及安全計時(shí)器選項，以及充電終止功能。

散熱管理及失效保護

線(xiàn)性化充電器中至系統供電總線(xiàn)的高輸入電壓差分將導致芯片溫度上升，乃至超過(guò)最大結點(diǎn)溫度(junction temperature)值并產(chǎn)生熱燒毀。為避免該問(wèn)題，此類(lèi)設計必須考慮強健的散熱管理配置，同時(shí)包括了熱關(guān)斷(thermal shutdown)及熱調節(thermal regulation)。依照一般的規則，所有的集成充電器IC都必須具有熱關(guān)斷，一旦IC的內部結點(diǎn)溫度超過(guò)最大結點(diǎn)溫度值，熱關(guān)斷將被觸發(fā)，以確保運轉過(guò)程中不會(huì )產(chǎn)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(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，以避免熱燒毀。通常的熱關(guān)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(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)間可達數秒，取決于PCB的布板，此類(lèi)工作模式在以充電狀態(tài)LED指示時(shí)一般被稱(chēng)為“閃光”（"flashing"）模式。

為解決此類(lèi)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結點(diǎn)溫度低于熱關(guān)斷限。如圖3所示，bq2406X系列線(xiàn)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

需要注意到，具有散熱回路的線(xiàn)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(lèi)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(jìn)行檢測。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)計時(shí)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(cháng)的一段時(shí)間內被激活，那么失效安全計數器的錯誤狀態(tài)即可觀(guān)察得出。為避免不期望的錯誤狀態(tài)，bq2406X充電器IC采用了動(dòng)態(tài)計時(shí)器控制(DTC)，其內置電路通過(guò)編程調整計時(shí)終止輸出的時(shí)間值，降低安全計數器的時(shí)鐘效率。DTC電路將在散熱回路被激活時(shí)同時(shí)啟動(dòng)。

散熱調節功能，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免遭瞬變或其它過(guò)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(chǎng)商之間存在著(zhù)激烈的競爭，且持續著(zhù)革新及差異化。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)的配件供貨或錯誤的適配器--終端用戶(hù)將延續其在強健性及穩定性方面對便攜式設備的挑戰。一類(lèi)產(chǎn)品與其它產(chǎn)品的主要區別體現在當出現上述不期望的狀態(tài)時(shí)，設備的穩定性、可靠性以及強健性。