在新興便攜式應用中集成Li-xx充電管理元件

充電控制中的3“C”
充電控制與管理是所有采用了可充電電池的便攜式設計中的關(guān)鍵功能。先進(jìn)的設計技術(shù)需確保滿(mǎn)足以下3項關(guān)鍵要求。
電池安全 (Cell Safety)
此項要求不單單限于滿(mǎn)足電池制造商建議的、在充電最后階段±1%的電壓調整容限要求，而且還包含了其他功能，如：可安全處理深放電電池的預處理模式、安全定時(shí)器以及電池溫度監控等功能。
容量 (Capacity)
任何充電管理解決方案都需要確保每個(gè)循環(huán)都能把電池充滿(mǎn)。未充滿(mǎn)即提前停止充電會(huì )降低運行時(shí)間，不能滿(mǎn)足便攜式設備對高電源的要求。
循環(huán)壽命 (Cycle-Life)
與建議的充電算法相關(guān)的一個(gè)重要步驟是，確保最終用戶(hù)能夠從每一電池組件獲得最大數量的充電循環(huán)。最大化循環(huán)壽命的必要步驟包括每次充電都符合電池溫度與電壓要求、預處理深放電的電池、以及避免延遲或不適當終止充電等。

圖1 典型線(xiàn)性充電器

圖2 單芯片 Li-xx 充電器

充電器拓撲
當今的大多單電池 Li-xx應用都采用線(xiàn)性充電拓撲。這種結構具有簡(jiǎn)易性及運行成本低等特性。與開(kāi)關(guān)式拓撲相比，它還使設計人員能夠把充電器放入更小的空間。這種拓撲的一個(gè)副作用是散熱，但是利用先進(jìn)的設計及布置技術(shù)可以很好地控制散熱。圖1是典型線(xiàn)性充電器的示意圖。
在該電路中，輸入二極管D1用于在不對電池充電時(shí)，防止電池的任何泄漏電流流入與電源輸入相連接的負載。R1是充電控制器的電流反饋單元，用于設置充電速度。Q1是通路晶體管，用于控制在充電過(guò)程中為電池提供的電流或電壓。最后，充電控制器管理充電的所有方面，并提供表1中所示的所有功能。

充電控制元件的發(fā)展趨勢
圖1代表市場(chǎng)中的第一代充電控制解決方案。在眾多便攜式應用中，這些解決方案具有高可靠性、經(jīng)濟高效等特性。但是，新興的便攜式產(chǎn)品在提高功能和性能的同時(shí)體積變得更為小巧。因此，OEM 廠(chǎng)商希望縮小包括電池充電管理等的功能電源管理所需要的空間。半導體與封裝技術(shù)的進(jìn)步已經(jīng)使IC公司能夠為新一代的充電控制器件提供更高集成度及更高級功能，同時(shí)最小化電路板空間需求。表2說(shuō)明第一代充電器設計中主要元件的典型封裝尺寸(750mA 充電速度)。這些單元總共占用的PCB面積為38mm2。這還不包括元件之間的間隙所需要的面積。
由于在充電控制器中集成了反向阻斷二極管及功率MOSFET等元件，因此第二代充電控制器件適當節省了電路板空間。與第一代解決方案相比，此類(lèi)解決方案一般可節省20％~30％的PCB面積。
然而，第三代充電器解決方案在這方面取得了巨大突破。例如，德州儀器推出的最新器件 bqTINYTM可提供高集成度，同時(shí)又可最小化所需的 PCB 面積。bqTINY在僅 3×3mm2 封裝中集成了反向阻斷二極管、電流傳感電阻器、功率MOSFET及充電控制器。所需的電路板面積降低了77％。圖2是第三代充電器的典型示意圖。

集成帶來(lái)的挑戰與優(yōu)勢
近些年來(lái)，集成已成為降低充電控制器解決方案的主要因素。但是，在給最終用戶(hù)提供眾多優(yōu)勢的同時(shí)，集成也給半導體設計人員帶來(lái)了諸多挑戰。我們首先來(lái)看一下這些挑戰：
?集成并不是說(shuō)做得少了。高集成度需要切實(shí)滿(mǎn)足并處理本文前面所述的主要充電控制功能。
?上述線(xiàn)性解決方案在充電期間會(huì )散熱。憑借高集成度，全部熱量需在單個(gè)封裝中消散。為解決這個(gè)問(wèn)題需要具備熱特性的新封裝技術(shù)。另外，散熱也會(huì )提高正常工作期間芯片的溫度，這意味著(zhù)用于電壓調整的一些高精度電路需要在較大溫度范圍內準確地運行。
?安全性是所有充電器設計中的主要考慮因素。高集成度會(huì )給充電器帶來(lái)更大的負擔，需要其確保在廣泛的條件范圍內可靠運行，包括短路條件及溫度超限條件。
集成也帶來(lái)眾多優(yōu)勢：
?前面著(zhù)重指出的一個(gè)主要優(yōu)勢是降低元件數與 PCB 面積。在上面所示的例子中，我們可以看出元件數從4個(gè)降低到了1個(gè)，而 PCB 面積則降低了77％。
?集成還可以大大簡(jiǎn)化設計過(guò)程及最終用戶(hù)的元件選擇。這意味著(zhù)可實(shí)現更短的設計周期及在大多應用中可一舉成功。
?在單個(gè)器件中集成全部元件還使半導體制造商能夠通過(guò)解決不同元件造成的整體誤差，而更好地優(yōu)化電路的整體性能。
?正確的集成還可以提高整體安全性。在圖1所示的設計舉例中，監控反向阻斷二極管及通路晶體管的異常情況(例如過(guò)熱或短路)非常困難，而且成本很高。而在集成的解決方案中可以安全、有效地監控這些參數。

結語(yǔ)
半導體與封裝技術(shù)的最新發(fā)展已經(jīng)使半導體制造商能夠為新興的便攜式應用提供眾多高度集成的充電解決方案。這些解決方案使 OEM 廠(chǎng)商能夠降低設計的成本及尺寸，簡(jiǎn)化設計工作，同時(shí)獲得眾多安全性及性能優(yōu)勢。 ■

作者簡(jiǎn)介：Masoud Beheshti，現任 TI 電池管理產(chǎn)品的高級產(chǎn)品經(jīng)理。他在電源管理與電池管理領(lǐng)域擁有超過(guò)14年的設計、產(chǎn)品定義、銷(xiāo)售，以及業(yè)務(wù)管理經(jīng)驗。他擁有電氣工程設計學(xué)士學(xué)位，以及金融與市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)工商管理碩士學(xué)位。