安森美半導(dǎo)體新系列開關(guān)電池充電方案應(yīng)對便攜設(shè)備充電挑戰(zhàn)

近年來，智能手機、平板電腦等便攜設(shè)備市場強勁發(fā)展，更大尺寸的屏幕日漸流行，消費者對應(yīng)用處理器、圖形處理器及外設(shè)的電源管理體驗的要求越來越高。這些促使便攜設(shè)備采用更大容量的電池，如一些最新智能手機配備了2000 mAh甚至達3000 mAh電池，電池生態(tài)系統(tǒng)趨勢也隨之發(fā)生了重大變化。

此外，許多便攜設(shè)備的輸入連接也從專有方案轉(zhuǎn)為微型USB插口;USB供電(rev 1.0 Jul 2012) 標準的發(fā)布，更能適應(yīng)最新的便攜設(shè)備USB端口的供電要求。這些都迫切需要既可提高能效又滿足上述要求的技術(shù)解決方案。推動高能效創(chuàng)新的安森美半導(dǎo)體新推出了NCP185x系列開關(guān)電池充電方案，幫助設(shè)計工程師應(yīng)對便攜設(shè)備大容量電池的快速充電挑戰(zhàn)，并幫助優(yōu)化用戶體驗。

采用新穎的自動輸入限流器(AICL)技術(shù)實現(xiàn)更快速充電

電池充放電管理在便攜設(shè)備設(shè)計的合理性和可靠性方面至關(guān)重要。電池充放電的挑戰(zhàn)之一是需要強固性、高能效及快速充電時間來滿足當今高性能、空間受限型應(yīng)用的要求。而大容量電池需要更大的充電電流來縮短充電時間。

傳統(tǒng)線性電池充電方式(包括脈沖方式)在大電流下存在效率較低、發(fā)熱量大等問題。與線性解決方案相比，開關(guān)充電方案有明顯的優(yōu)勢，如可從輸入轉(zhuǎn)換更多的電能至輸出;工作能效更高，可降低能耗及簡化手機設(shè)計;在輸入源受限時(如采用5 V，500 mA USB端口充電)，能提供更大的電流。綜合上述優(yōu)勢，開關(guān)電池充電器件的充電速度可比線性電池充電器快30%。

由于手機等設(shè)備無法知道用戶使用的電源適配器或USB端口的負載電流能力，所以充電管理器件必須具有檢測適配器或USB端口負載電流的功能，以確保手機設(shè)備在安全電流條件下工作。在充電結(jié)束后，充電管理器件應(yīng)斷開與系統(tǒng)的連接，系統(tǒng)從外部電源取電;只有當外部電源移出時，系統(tǒng)才從電池取電。

安森美半導(dǎo)體的NCP185x系列開關(guān)電池充電器件就是一種新的充電技術(shù)。其充電過程迅速，具有自動輸入限流(AICL)功能;在充電結(jié)束時還可自動斷開電池連接，延長電池壽命。它可以提供更大的輸出電流，效率高達85%，發(fā)熱量小，實現(xiàn)更快、更安全高效的充電，有助于提升用戶體驗;還可以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，簡化系統(tǒng)設(shè)計。

NCP185x系列在輸入源受限的情況下，采用符合100 mA、500 mA、900 mA或1.5 A USB充電規(guī)范的輸入電流限制器，利用自動檢測模式在最大充電電流時進行調(diào)整，使其適應(yīng)輸入源的能力，并可縮短最少達10分鐘的總體充電時間。

圖1：利用自動輸入限流縮短總體充電時間

充電結(jié)束時自動斷開電池連接，延長電池使用壽命

不少用戶經(jīng)常抱怨電池壽命短，許多便攜系統(tǒng)的電池壽命在使用幾個月后就受到明顯影響，原因是電池在充電結(jié)束后還一直在充電。優(yōu)化電池總體壽命的方法是在充電結(jié)束時電池連接即自動斷開。安森美半導(dǎo)體NCP185x帶有充放電路徑管理功能，可以在系統(tǒng)充電結(jié)束時自動斷開電池連接，系統(tǒng)僅從外部帶有適配器或USB端口取電，僅在出現(xiàn)峰值電流活動(大于外部電源適配器所能提供的電流，如使用GSM)時，才導(dǎo)通電池與系統(tǒng)之間連接，短時間從系統(tǒng)補充電流，其他時間電池與系統(tǒng)保持管理。在外部電源連接情況下，系統(tǒng)優(yōu)先從外部適配器取電，以保存電池電量，延長電池使用時間，如圖2所示。

圖2：充電結(jié)束時自動斷開電池連接

如果使用不帶充放電路徑管理的器件，充電結(jié)束后，充電模塊關(guān)閉，系統(tǒng)開始從電池取電，電池電壓隨之降低，一旦電壓降低到一個門限值，充電周期重新開始，使電池經(jīng)常處于充放電、再充電循環(huán)之中，容易造成電池過早老化。

即時導(dǎo)通技術(shù)改善用戶體驗

電池充電的另一個挑戰(zhàn)是需要改善用戶體驗。用戶時常有這樣的疑問：為什么電池電量低時我要充電5分鐘后系統(tǒng)才能導(dǎo)通系統(tǒng)?這是因為當用戶連接便攜設(shè)備充電的同時，通常也需要使用設(shè)備。令人尷尬的是，即使是最新型設(shè)備也要求約5分鐘的初始充電，然后才允許系統(tǒng)啟動及使用。如果采用雙路徑管理(DPM)技術(shù)，即可在插入充電線纜時立即導(dǎo)通便攜設(shè)備。

NCP185x系列就應(yīng)用了這樣的即時導(dǎo)通系統(tǒng)技術(shù)，由于器件內(nèi)集成的電流源可為電池充電，即使電池電壓非常低，當用戶插入電源適配器時，也可使系統(tǒng)電壓保持在3.6V，讓系統(tǒng)立即開啟，無需等待;另外，內(nèi)部集成的一個5 V升壓器支持USB On-The-Go(OTG)反向供電，或用于HDMI接口的DDC電壓供電，可以一邊安全地給電池充電，一邊單獨為系統(tǒng)供電，如圖3所示。當電池電壓達到3.4 V時預(yù)充電結(jié)束，外部充電MOS管導(dǎo)通，系統(tǒng)電壓跟隨電池電壓。傳統(tǒng)充電器在電池電量低時，電池需要預(yù)充電一段時間，等待電池電壓恢復(fù)到最低電壓以上才能開機。

圖3：插入充電線纜時即時導(dǎo)通便攜設(shè)備

安森美半導(dǎo)體的器件還支持死電池激活。當電池電壓低于2.2 V時，開關(guān)充電器件提供10 mA小電流激活電池。此時系統(tǒng)仍可立即開機。

支持USB OTG附件

對于平板電腦來說，通常需要支持USB OTG功能。USB OTG附件要求便攜設(shè)備在USB事務(wù)處理中充當USB主機，在VBUS線路上提供5 V輸出電壓，供外設(shè)使用;一些智能手機帶有HDMI輸出接口，也需要一個5 V DDC電壓。這通常要使用外部升壓直流-直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換器將電池電壓升壓至5 V、500 mA的穩(wěn)壓電壓軌。NCP185x系列器件集成了一個5 V升壓器，能支持USB OTG附件或HDMI輸出接口，最大提供500 mA電流，并省去了一個外部升壓轉(zhuǎn)換器。NCP185x系列接地的ID引腳可以識別USB OTG附件，應(yīng)用反向升壓轉(zhuǎn)換器來提供5 V、500 mA輸出，不僅可以支持USB OTG功能，還可以為物料單(BOM)節(jié)省1顆額外電感。

圖4：支持USB OTG功能