是目前許多便攜式電子產(chǎn)品中最重要的特性。雖然許多便攜式電子行業(yè)已經(jīng)廣泛采用鋰離子電池,因為這種電池具有容量大、尺寸小、重量輕和可靠耐用的特點,但對電池充電器芯片還沒有達成一個同樣統(tǒng)一的意見。
作為控制鋰離子充電狀態(tài)的功率器件,電池充電器芯片在便攜式系統(tǒng)設計中扮演著重要的角色。然而,設計師們還在使用著從較老并且相對粗糙和低成本的充電器件、到較新的更復雜芯片等各種各樣的器件,而后者集成了越來越復雜的智能,可以延長電池壽命,保護被充電系統(tǒng)不受損害。
安全第一
便攜式系統(tǒng)設計師面臨的挑戰(zhàn)是:如何快速高效地對系統(tǒng)進行充電,同時不影響用戶安全或損壞電池,并且要占用最少的電路板面積。鋰離子充電器通常采用三種充電模式來最大化充電效率并確保用戶安全性。深度放電的電池必須先用較小的電流進行逐步預充電,將電池電壓慢慢提升到安全閥值之上。
就拿工作電壓范圍是到的單節(jié)鋰離子電池充電器來說,它通常會測量被充電池的電壓,當電池電壓低于3V時,它將進入預充或“慢充”模式。慢充模式可以在電池內(nèi)阻很低時防止對電池高速充電,從而盡量減少發(fā)熱。一般預充期間的充電速率約是全速充電時的10%。
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圖1:Microchip科技公司的MCP73837雙輸入鋰離子/聚合物充電器具有電源選擇功能,可以自動選擇從交流或USB源進行充電。
一旦電池達到最小電壓值,充電器就切換到恒流或快充模式,此時將對電池全速充電,直到電池達到接近滿充電壓的第二個閥值。隨后充電器將進入恒壓模式,此時電池電壓保持不變,從而讓充電電流逐漸停止。當充電電流小于預設的終止閥值時,恒壓充電模式也就結(jié)束了。
熱管理是電池充電器設計師面臨的另一大挑戰(zhàn)。每個充電器芯片都會在充電過程中經(jīng)歷由于散熱引起的電壓下降。為了避免電池損壞或系統(tǒng)關斷,大多數(shù)充電器都集成了某種形式的控制機制來管理熱量累積。較老的充電器芯片常采用“非彼即此”的方法來解決過熱或過流問題——當熱量達到預設的門限時它們將簡單地中斷充電過程。較新的器件則采用更復雜的反饋技術連續(xù)監(jiān)視裸片溫度,并以正比于環(huán)境溫度變化的速率動態(tài)或通過計算調(diào)整充電電流。這種內(nèi)置智能允許當前的充電器芯片逐漸減少充電電流,直到達到熱平衡,裸片溫度停止上升。這種技術能讓充電器以最大可能的電流對電池進行連續(xù)充電,同時不會導致系統(tǒng)關斷,從而縮短電池充電時間。
MAX8804是美信集成產(chǎn)品公司去年7月份推出的充電器芯片,它采用了專門的熱調(diào)整電路,可以在快速充電階段或系統(tǒng)處于高溫環(huán)境中限制裸片的溫度。該充電器耐受30V的直流輸入電壓,只占用6平方毫米的電路板面積。另外,像TI公司提供的1A bq24060充電器可提供熱過載保護功能,允許器件在環(huán)境溫度很高的惡劣環(huán)境中連續(xù)運行,例如夏天的汽車或不小心連接到具有較高輸入電壓的其它適配器。目前大多數(shù)較新的器件一般還會增加過壓保護機制。
多種電壓源
有個越來越常見的要求是從不同電壓源給電池充電,要點是在不使電壓源過載的情況下提供這個功能。可以通過在輸入條件改變時動態(tài)調(diào)整充電電流實現(xiàn)這一功能。
舉例來說,移動用戶經(jīng)常沒有時間去找交流電插座來給他們的設備充電,相反,他們希望通過大多數(shù)電子設備上都有的眾多USB端口來給他們的電池充電,包括其它電池供電的設備,如筆記本電腦。因此,目前市場上的許多充電器芯片支持從交流和USB輸入口給單節(jié)鋰電池充電。此時的挑戰(zhàn)是補償USB端口提供的不斷變化的功率電平。隨著負載的變化,系統(tǒng)必須控制恒定的充電電流值以確保USB端口的正常操作。
一些充電器芯片利用簡單的雙重方法支持USB操作,該方法使用兩個預設的充電電流值(通常是500mA和100mA)來支持USB端口允許的最大電流或必要時的最小電流以確保端口的完整性。通常這要求接口邏輯嵌入在充電器芯片中,以便系統(tǒng)微控制器能夠連續(xù)讀取USB端口的狀態(tài),并指示充電器從一個充電電流切換到另一個充電電流。
最近,有些充電器芯片制造商已經(jīng)開發(fā)出能夠自動檢測USB端口的可用功率、并據(jù)此調(diào)整充電電流來最大化充電效率的芯片。另外,許多充電器芯片不需要用戶干涉,就能夠自動檢測電源類型并調(diào)整它們的充電過程。
當凌力爾特公司的LTC4075充電器芯片檢測到輸入端電源時,它能自動選擇合適的電源進行充電,同時不需要外接MOSFET、檢測電阻或阻流二極管。
Microchip Technology公司提供的MCP73837也能提供類似自動的電源選擇功能。
采用雙節(jié)電池
隨著便攜式系統(tǒng)設計復雜性的提高,它們使用的子系統(tǒng)、顯示器和處理器的數(shù)量與類型也越來越多,單節(jié)鋰離子電池已經(jīng)無法滿足系統(tǒng)需要。因此,一些便攜式媒體播放器、高性能SLR型數(shù)碼相機和GPS導航系統(tǒng)都開始采用串聯(lián)的兩節(jié)鋰離子電池供電。這些便攜式產(chǎn)品一般要求輸入在和之間進行充電。設計師以前都是使用分立器件實現(xiàn)這種設計,但支持這個要求的新一代充電器芯片已經(jīng)開始上市。
具有代表性的例子是AT3663,這是Advanced Analogic Technologies公司(AnalogicTech)提供的1A線性電池充電器系列芯片的第一個產(chǎn)品,可以用來給最多兩節(jié)串聯(lián)的鋰離子電池充電。AT3663采用該制造商的專有模塊化BCD工藝技術制造。這種工藝集成了完全隔離的CMOS和高速互補雙極晶體管以及30V DMOS功率器件,沒有采用復雜而且昂貴的外延附生或高溫擴散技術。
上述新工藝允許AAT3663支持從4V到的輸入電壓,因此設計師可以自由使用較低成本的非穩(wěn)壓適配器。
圖2:AnalogicTech公司的AAT3663可以工作在4V到的寬輸入電壓范圍,可以用來給最多兩節(jié)串聯(lián)的鋰離子充電。該充電芯片采用專有的雙極/CMOS/DMOS工藝制造。
作者:馬卓輝
