鉅大LARGE | 點擊量：1102次 | 2021年12月24日
高功率便攜式設(shè)備電池充電的幾點注意事項
過去幾十年間，便攜式設(shè)備的功能和性能得到了顯著提升，手機就是一個很好的實例。它們已變得更為復雜，不僅能夠完成許多基本任務(wù)，而且還能像計算機相同工作。更多的功能性已經(jīng)把智能手機從一種只能接打電話的設(shè)備變成了多用途便攜式設(shè)備，這也使其對功耗的需求空前高漲。
內(nèi)部電池組是存儲電量并為便攜式設(shè)備電路供電的主電源。電池充電器IC負責安全高效地為電池組充電。此外，它們還必須控制供應給系統(tǒng)的電源，確保在插入墻上電源時設(shè)備能正常工作。電池組要在不影響重量與體積的情況下，不僅能存儲大量電源，而且還能在短時間內(nèi)完成充電。更高的充放電電流加上更小的物理尺寸，使得電池組很容易受到物理及熱應力的損壞。因此，電池充電器光作為簡單的獨立充電器已經(jīng)不夠了。
要確保合理的充電時間和安全的充電條件，電池充電器IC要具有高度的靈活性，因為它必須保證隨時為系統(tǒng)供電，并保證為電池和系統(tǒng)供應適當?shù)谋Ｗo。本文不僅將探討單體電池充電器解決方法，而且還將詳細介紹小型高功率應用充電器的性能與限制。
單電池充電解決方法概覽
充電電池對手機和可穿戴電子產(chǎn)品等電子設(shè)備都至關(guān)重要。充電電路不僅必須認真設(shè)計，而且很大程度上還取決于三大因素：電池化學成分、功率級以及系統(tǒng)負載。不同的電池化學成分要不同的充電方法。應用的電源需求會直接影響充電系統(tǒng)的成本與尺寸。最后，必須考慮系統(tǒng)電源需求，明確是選擇電源路徑還是非電源路徑。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
鋰離子電池正在成為許多便攜式應用的首選，重要原因是：它們不僅能以較小的尺寸重量供應較高的容量，而且還具有低自放電與高單元電壓（通常為3.6V）的特性，能夠?qū)崿F(xiàn)只有一節(jié)電池的電池組設(shè)計。雖然具有上述優(yōu)點，鋰離子電池也容易受到應力損壞。它們要特別考慮充電電流、穩(wěn)壓、小電流充電等級以及溫度監(jiān)控等。
基本充電方法有兩種：線性充電與開關(guān)模式充電。開關(guān)模式充電可在廣泛的AC適配器電壓下最大限度地降低功耗，但會占用更多的板級空間，新增復雜性。此外，開關(guān)模式應用通常比相應的線性應用成本高-。線性充電器體積較小，非常適合噪聲敏感型設(shè)備。不過，它們在整個充電過程中的效率沒有開關(guān)模式設(shè)備那么高。
選擇充電方法時，設(shè)計人員要根據(jù)成本、空間、材料單（BOM）數(shù)量以及效率（熱負載）進行綜合考慮。系統(tǒng)需求不同，就會有不同的電池充電器解決方法，從簡單的獨立充電器到也可為系統(tǒng)供電的嵌入式充電器都有可能。系統(tǒng)需求包括但不僅限于：
●動態(tài)電源路徑管理（DppM）需求，可確保系統(tǒng)在電池電量耗盡或斷開電池的情況下仍能立即開啟。
●電池與系統(tǒng)路徑的低FETRDS（on），可確保合格的整體效率與散熱管理。
●高充電電流，不僅支持高容量電池組，而且還可縮短充電時間。
●輸入電壓動態(tài)電源管理（DpM），支持任何適配器和／或USB端口限制。
電源要求（適配器限制）
目前大多數(shù)智能手機適配器都標定為5至10W的最大輸出功率。圖1是不同充電電流等級所需的USB端口或適配器輸入電源。關(guān)于1.5A的充電電流來說，隨著電池電壓從3V上升到最高電壓，所需電源可從3W線性上升至5W。關(guān)于3A充電速率而言，整個充電周期，輸入要供應高達12W的電源。在這種情況下，根據(jù)電池充電狀態(tài)不同，5W或10W適配器可能會毀壞，進而導致系統(tǒng)崩潰。為了防止這種情況發(fā)生，充電器要具有某些類型的保護功能來降低輸入供電。
圖1.不同充電電流所需的輸入電源
TI的bq24250等電池充電器支持動態(tài)電源管理（DpM），可監(jiān)控輸入電壓（VIN_DpM）。在正常充電過程中，假如輸入電源不能支持編程的或默認的充電電流，輸入電壓就會下降。假如輸入電壓降至設(shè)計人員設(shè)定的VIN_DpM閾值，充電電流就會降低。這可限制輸入電源的供電，防止輸入電壓進一步下降。該特性可在無任何硬件改變的情況下，確保IC兼容于具有不同電流功能的適配器。
充電時間
如前文所述，充電時間取決于電池容量和充電速率?？s短充電時間的最簡單方法就是加快充電速率。不過，電池充電速率假如超過電池總?cè)萘康?0%（0.8C），就會在電池上出現(xiàn)應力。這會縮短電池使用壽命，可能也會損壞電池組，造成災難性后果。TI開發(fā)了充電周期的充電時間優(yōu)化技術(shù)，與其它解決方法相比，其可在給定充電速率下縮短充電時間。鋰離子電池的充電周期重要包括三個階段：預充（小電流）、快充（恒定電流）和逐漸變?nèi)酰ê愣妷海┩A段之間的過渡對許多開關(guān)模式充電器來說并不理想。圖2重點顯示了在原有充電器電路中從恒定電流過渡到恒定電壓階段的情況。電壓和電流都沒有太明顯的變化，這種行為會在充電周期中造成時間和功率上的損失。
圖2：原有充電器（不支持時間優(yōu)化技術(shù)）
TI鋰離子電池充電器用時間優(yōu)化技術(shù)改善了這種不同階段之間的過渡。圖3顯示的充電周期與圖2采用的電池和充電條件相同。充電時間縮短了15%以上。在最新充電器上這種過渡要強烈得多，其在快充階段的時間更長，而后再轉(zhuǎn)換到逐漸變?nèi)蹼A段。這就能讓電池組以更快速度獲得更多電量，從而可在不新增充電速率的情況下縮短充電時間。
圖3：開關(guān)模式鋰離子電池充電器電路板尺寸與BOM成本
對較高充電速率來說，線性充電器就沒那么有吸引力了。其在充電周期上降低的效率會在系統(tǒng)上導致熱負載。這一點在尺寸受限的電路板和高功率應用中尤為突出。這些條件就推動了對全面集成型開關(guān)模式充電器的需求。
TI等廠商正在積極推進包絡(luò)創(chuàng)新，通過在不影響器件性能的情況下縮減BOM成本與電路板尺寸來滿足市場要求。例如，bq24250是一款高度集成的單體鋰離子電池充電器及系統(tǒng)電源路徑管理IC，重要面向采用高容量電池的空間有限型便攜式應用。圖4是供應實際應用面積尺寸的各種器件。舉例來說，bq2425x系列充電器支持高達2A的充電電流、經(jīng)濟型BOM以及42平方毫米的應用面積。
適用于不同應用的DppM充電器
散熱性能與效率
縮小充電器面積尺寸會影響整個電路板的散熱性能。更少的可用面積可導致充電過程中功耗出現(xiàn)的熱量散發(fā)空間更小。就給定的電路板面積而言，唯一降低熱負載的辦法是提高電源轉(zhuǎn)換期間的充電器效率。更高的效率可帶來更低的功耗，而IC和電路板出現(xiàn)的熱量也會更少。
在更高功率應用中比較線性充電器與開關(guān)模式充電器的功耗時，線性充電器處于劣勢，因為功率消耗可能非常高，關(guān)于較低電池電壓而言尤其如此。這是因為線性充電器采用線性穩(wěn)壓器進行功率轉(zhuǎn)換。另一方面，開關(guān)模式充電在整個電池電壓范圍內(nèi)的效率要高得多，可出現(xiàn)較低的功率耗散。圖5是線性充電器與開關(guān)模式充電器之間的功耗比較。
線性充電器與開關(guān)模式充電器
改善電路板上的充電器散熱性能，選擇開關(guān)模式充電器而不選擇線性充電器是符合邏輯的。降低開關(guān)充電器內(nèi)部集成型FET的RDS（on）有助于提高大電流下的充電器效率。這是因為大電流情況下大多數(shù)開關(guān)充電器功耗都是由FET的RDS（on）造成的。bq24250鋰離子電池充電器集成了功率FET與低RDS（on）。內(nèi)部高側(cè)及低側(cè)MOSFET的額定電阻分別僅為100mΩ。這有助于降低從輸入到系統(tǒng)輸出的功耗。FET切換至電池的RDS（on）僅為20mΩ，這也有助于降低充放電期間的損耗。圖6供應的bq24250系統(tǒng)效率數(shù)據(jù)可高達95%。
bq24250鋰離子電池充電器的系統(tǒng)效率
電池保護與電池使用壽命延長
高功率便攜式電子設(shè)備的一個重要問題是電池使用壽命周期。電池容量隨時間推移的降低可縮短運行時間，嚴重影響用戶體驗。延長電池使用壽命周期的一個重要方法是降低充放電過程中的應力。鋰離子電池對電池組上過流或過壓出現(xiàn)的應力非常敏感。bq24250等電池充電器IC可調(diào)節(jié)電池電壓，支持±0.5%的室溫誤差精度。對充電電流而言，該IC可在0至125攝氏度的溫度范圍內(nèi)針對高達2A的充電電流供應±0.75%誤差精度。這種高精度有助于設(shè)計人員根據(jù)應用需求精確編程電壓與電流等級。有了這些精確的充電參數(shù)，電池就可在不影響電池使用壽命周期的情況下更積極地充電。這可在維護安全充電解決方法的同時，縮短充電時間。
不同溫度下的充電電流精確度
圖7是0至126攝氏度溫度范圍的3種充電電流準確度。關(guān)于高達1.5A的充電電流而言，產(chǎn)品說明書中顯示的誤差精度不超過2%（典型值）。
系統(tǒng)關(guān)閉模式（SYSOFF）
在預售發(fā)貨存儲過程中，電池要與系統(tǒng)其它部分斷開，以免耗盡電池電量。bq24250電池充電器具有SYSOFF模式，其可通過設(shè)置來關(guān)閉電池FET，斷開電池與系統(tǒng)的連接。在使用SYSOFF模式時，電池到IC的泄漏電流將降低至1μA以下（圖8）。設(shè)計人員可對系統(tǒng)進行編程，在終端客戶將電源插入充電器時自動退出SYSOFF模式。
SYSOFF模式下的電池泄漏電流
應用靈活性
在當前競爭激烈的市場上，大多數(shù)市場參與者都在不斷追求更低成本，以實現(xiàn)更高的利潤率與更大的競爭實力。假如能夠針對不同產(chǎn)品及多代要求改變相同芯片的使用意圖，就會為不同系統(tǒng)設(shè)計直接節(jié)省成本。此外，這還可縮短應用學習曲線，通過使用已知可行解決方法來防止不必要的風險。市場正要集成多種特性的電池充電器系列來為不同應用供應高度的靈活性。例如，假如一款充電器支持寬泛輸入電壓，它就適用于各種不同的適配器，從而可能會降低庫存成本。充電電流的高靈活性可支持充電寶、智能手機、低級充電以及藍牙（Bluetooth.）耳機等應用的更大電流。
許多充電器供應兩種芯片控制方法：I2C通信與獨立式，這允許根據(jù)要調(diào)節(jié)每個應用。在I2C模式下，設(shè)計人員可對VIN_DpM閾值、充電電流、輸入電流限制、穩(wěn)壓和充電結(jié)束電平等各種參數(shù)進行編程。在獨立模式下工作時不要主機控制，設(shè)計人員不僅可使用外部設(shè)置來編程以上參數(shù)，而且還可利用外部引腳來選擇不同輸入電流限制級和啟用／禁用芯片。
符合BC1.2標準的D+/D–USB檢測特性可為實現(xiàn)更穩(wěn)健USB充電供應更高靈活性。過去，USB充電非常直接，設(shè)備直接從USB端口為電池供電，沒什么控制功能。在今天的高功率應用中，設(shè)備要從USB端口獲得更大電源，這就要執(zhí)行更復雜的標準和協(xié)議。此外，隨著相同USB端口連接器中不同USB標準的標準化，能識別可連接設(shè)備的類型是一項極具競爭力的實用特性。
結(jié)論
高功率便攜式設(shè)備充電有許多可用選項。目前供應的充電IC支持功率路徑管理以及可實現(xiàn)更高效率的高充電電流，從而可縮短充電時間，降低熱應力并縮小解決方法尺寸。低成本BOM加上小尺寸解決方法，可在不影響尺寸與容量的情況下降低器件成本。
