线性化充电器系统设计

现今成就卓著的便携式设备，诸如智能电话、PDA以及便携式媒体播放器越来越多的应用锂离子(Li-Ion)电池。此类可充电电池的高需求量促使众多的第三方供应商不断开发出诸如充电座(charging cradle)及充电适配器等附件。此类充电适配器价格低廉，但充电特性及保护功能往往与原厂的OEM适配器有所差别，将会影响到总体的系统性能及可靠性。如果充电器级的设计包含了以下特性，则可实现一个强健的系统，适用于所有的外部AC适配器：  

抑制瞬变电压尖刺的保护  

非稳压适配器的输出电压特性  

散热管理及失效保护本文将探讨在使用不同范围的AC适配器时上述参数在系统层次上的影响，并讨论如何使用线性化的充电器（具有诸如过压保护、散热调节及动态计时器的特性）设计出更强健的系统。文中还引用了TI的bq2406X系列作为线性化充电器家族的示例，展示了一系列以满足以上要求为目的的线性充电器。  

多种多样的AC适配器  

当今便携式系统设计方面的主要问题之一在于适应宽范围输入供电源的需求，例如AC适配器、USB缆线或车载/空载的直流输出。将适配器以低廉的价格推向市场，取代了原本昂贵的原厂(OEM)适配器，从而促进了众多供应商的开发历程，使可充电便携式设备获得了广泛的成就。此类最流行的供电源，如交流适配器，通常可根据其特性划分为两部分：稳压适配器(regulated adaptor)，典型的OEM适配器；非稳压适配器(unregulated adaptor)，典型的配件供货适配器。  

稳压适配器的输出电压通过内置电路提供非常优良的线路及负载调节。而相反的，非稳压适配器所提供的输出电压则取决于负载，线路负载调节能力不强。适配器在过电流状态下的行为也有所差别。稳压适配器在进入过电流区域时通常具有更为陡峭的过渡区(transition region)，如图1所示。  


  
图1：稳压及非稳压型AC适配器的特性  

输入瞬变及过电压状态  

现今的便携式设备设计于通过上述类型的适配器进行供电，必须整合保护功能，以使得过电压状态下终端设备的风险最小化。过电压状态可分类为两种模式：直流过电压以及瞬变过电压。  

通常情况下，直流过电压源于所插入的配件供货或非标准适配器上错误的输出电压。另一方面，瞬变过电压则发生于终端设备热插入适配器的瞬间。瞬变过电压可轻易的达到2倍的正常适配器输出电压，如图2所示。  


  
图2：5V、1A适配器（1uF及10uF输入电容状态下）的热插入瞬变特性  

在适当设计时，充电器级可用于将电池和系统与外部供电源隔离，如图3所示。在此类拓扑中，电池组及系统的正极终端被连接至充电级的输出。充电器功率级有效的隔离了外部适配器与系统供电总线。  

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图3：充电器级将外部供电源与电池和系统隔离  

如图3所示的拓扑可实现强健的设计，其充电器级整合了输入过电压保护(OVP)功能，可监测输入电压并在探测到直流过电压状态时使充电器级失效。当充电器级失效时，系统的供电总线与适配器的输出完全隔离。对于5V的稳压适配器，输入过电压保护限制通常设定为6.5V。bq2406X系列提供了6.5V及10.5V的选项以同时适应于稳压及非稳压型的适配器。  

为隔离并保护系统及电池免受外部电源瞬变过电压状态的损害，充电器级应具有约2倍于一般额定适配器电压的输入电压限定范围。  

需要注意的是，在上述所讨论的拓扑中，若最小化系统电流（例如待机[stand-by]模式下）高于结束(termination)电流限，则可能产生潜在的锁定(lock out)状态。在系统电流超过结束电流限之时，终止将无法进行检测。安全计时器将被激活，充电器级将在电池充至满容量之前就掉电(power down)。为解决该潜在的问题，bq2406X系列针对设备在电池充电器开启时高功率模式，提供了失效及安全计时器选项，以及充电终止功能。  

散热管理及失效保护  

线性化充电器中至系统供电总线的高输入电压差分将导致芯片温度上升，乃至超过最大结点温度(junction temperature)值并产生热烧毁。为避免该问题，此类设计必须考虑强健的散热管理配置，同时包括了热关断(thermal shutdown)及热调节(thermal regulation)。  

依照一般的规则，所有的集成充电器IC都必须具有热关断，一旦IC的内部结点温度超过最大结点温度值，热关断将被触发，以确保运转过程中不会产生热烧毁。在典型的应用中，当充电电流1A而充电电压高于电池电压2-3V时，热关断将被激活。激活状态下，热关断电路将关闭充电器功率级，以避免热烧毁。通常的热关断电路都具有设计上的滞后效应。当芯片温度降低，功率级方可重新开启。若芯片温度再度上升，热关断电路将再次被触发。其散热所维持时间可达数秒，取决于PCB的布板，此类工作模式在以充电状态LED指示时一般被称为“闪光”（"flashing"）模式。  

为解决此类散热问题，可添加一个散热回路，以降低充电电流，确保IC结点温度低于热关断限。如图3所示，bq2406X系列线性化充电器添加了散热回路以支持运转。散热回路在激活状态下可有效的降低充电电流，降低充电器级供电MOSFET的功耗。  


  
图4：散热回路在输入电压瞬变情况下的运转  

需要注意到，具有散热回路的线性化充电器在输入电压过高的情况下，充电电流可降至非常低的值。在此类状况下，失效终止(false termination)可针对充电电流是否降至低于结束限进行检测。为避免此问题，bq2406X将在散热回路激活时使终止失效。  

动态计时器控制  

充电安全计数器用于检测失效状态，如果充电周期持续超过正常状态下所期望的总体时间，且充电电流等于额定的快速充电电流，则判断失效。在散热回路激活状态下，充电电流降低。若是散热回路在较长的一段时间内被激活，那么失效安全计数器的错误状态即可观察得出。为避免不期望的错误状态，bq2406X充电器IC采用了动态计时器控制(DTC)，其内置电路通过编程调整计时终止输出的时间值，降低安全计数器的时钟效率。DTC电路将在散热回路被激活时同时启动。  

散热调节功能，并结合DTC电路，提供了强健的散热管理及失效保护配置，以保护充电器级和系统免遭瞬变或其它过电压状态所造成的散热错误。  

结论  

在此所讨论的便携式设备在厂商之间存在着激烈的竞争，且持续着革新及差异化。随着便携式设备所安置的使用环境越来越严苛--例如，在炎热的夏日将电话放置在汽车内充电，或是插入了廉价的配件供货或错误的适配器--终端用户将延续其在强健性及稳定性方面对便携式设备的挑战。一类产品与其它产品的主要区别体现在当出现上述不期望的状态时，设备的稳定性、可靠性以及强健性。