越來越智能的電池充電器芯片

電池壽命無疑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?yàn)檫@種電池具有容量大、尺寸小、重量輕和可靠耐用的特點(diǎn)，但對(duì)電池充電器芯片還沒有達(dá)成一個(gè)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(shè)計(jì)中扮演著重要的角色。然而，設(shè)計(jì)師們還在使用著從較老并且相對(duì)粗糙和低成本的充電器件、到較新的更復(fù)雜芯片等各種各樣的器件，而后者集成了越來越復(fù)雜的智能，可以延長(zhǎng)電池壽命，保護(hù)被充電系統(tǒng)不受損害。

安全第一

便攜式系統(tǒng)設(shè)計(jì)師面臨的挑戰(zhàn)是：如何快速高效地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行充電，同時(shí)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(jìn)行逐步預(yù)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2.8V到4.2V的單節(jié)鋰離子電池充電器來說，它通常會(huì)測(cè)量被充電池的電壓，當(dāng)電池電壓低于3V時(shí)，它將進(jìn)入預(yù)充或“慢充”模式。慢充模式可以在電池內(nèi)阻很低時(shí)防止對(duì)電池高速充電，從而盡量減少發(fā)熱。一般預(yù)充期間的充電速率約是全速充電時(shí)的10%。

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(dòng)選擇從交流或USB源進(jìn)行充電。

一旦電池達(dá)到最小電壓值，充電器就切換到恒流或快充模式，此時(shí)將對(duì)電池全速充電，直到電池達(dá)到接近滿充電壓的第二個(gè)閥值。隨后充電器將進(jìn)入恒壓模式，此時(shí)電池電壓保持不變，從而讓充電電流逐漸停止。當(dāng)充電電流小于預(yù)設(shè)的終止閥值時(shí)，恒壓充電模式也就結(jié)束了。

熱管理是電池充電器設(shè)計(jì)師面臨的另一大挑戰(zhàn)。每個(gè)充電器芯片都會(huì)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?fù)p壞或系統(tǒng)關(guān)斷，大多數(shù)充電器都集成了某種形式的控制機(jī)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(dāng)熱量達(dá)到預(yù)設(shè)的門限時(shí)它們將簡(jiǎn)單地中斷充電過程。較新的器件則采用更復(fù)雜的反饋技術(shù)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(dòng)態(tài)或通過計(jì)算調(diào)整充電電流。這種內(nèi)置智能允許當(dāng)前的充電器芯片逐漸減少充電電流，直到達(dá)到熱平衡，裸片溫度停止上升。這種技術(shù)能讓充電器以最大可能的電流對(duì)電池進(jìn)行連續(xù)充電，同時(shí)不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)關(guān)斷，從而縮短電池充電時(shí)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(hù)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(yùn)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(huì)增加過壓保護(hù)機(jī)制。

多種電壓源

有個(gè)越來越常見的要求是從不同電壓源給電池充電，要點(diǎn)是在不使電壓源過載的情況下提供這個(gè)功能?？梢酝ㄟ^在輸入條件改變時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整充電電流實(shí)現(xiàn)這一功能。

舉例來說，移動(dòng)用戶經(jīng)常沒有時(shí)間去找交流電插座來給他們的設(shè)備充電，相反，他們希望通過大多數(shù)電子設(shè)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(shè)備，如筆記本電腦。因此，目前市場(chǎng)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(shí)的挑戰(zhàn)是補(bǔ)償U(kuò)SB端口提供的不斷變化的功率電平。隨著負(fù)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(jiǎn)單的雙重方法支持USB操作，該方法使用兩個(gè)預(yù)設(shè)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(shí)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(gè)充電電流切換到另一個(gè)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(dòng)檢測(cè)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(dòng)檢測(cè)電源類型并調(diào)整它們的充電過程。

當(dāng)凌力爾特公司的LTC4075充電器芯片檢測(cè)到輸入端電源時(shí)，它能自動(dòng)選擇合適的電源進(jìn)行充電，同時(shí)不需要外接MOSFET、檢測(cè)電阻或阻流二極管。

Microchip Technology公司提供的MCP73837也能提供類似自動(dòng)的電源選擇功能。

采用雙節(jié)電池

隨著便攜式系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)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(jī)和GPS導(dǎo)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8.4V和8.8V之間進(jìn)行充電。設(shè)計(jì)師以前都是使用分立器件實(shí)現(xiàn)這種設(shè)計(jì)，但支持這個(gè)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(gè)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(shù)制造。這種工藝集成了完全隔離的CMOS和高速互補(bǔ)雙極晶體管以及30V DMOS功率器件，沒有采用復(fù)雜而且昂貴的外延附生或高溫?cái)U(kuò)散技術(shù)。

上述新工藝允許AAT3663支持從4V到13.2V的輸入電壓，因此設(shè)計(jì)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13.2V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。