淺談移動(dòng)電源電路的設(shè)計(jì)

近年來，由于便攜式產(chǎn)品的普及化，如智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦、MP3隨身聽等，幾乎人人都使用這些便攜式產(chǎn)品，但是當(dāng)你出門在外正在使用智能手機(jī)打電話或使用平板電腦看影片時(shí)，電池突然沒電了，常常讓人覺得非常無奈。為避免外出時(shí)遇上智能手機(jī)或平板電腦沒電的窘?jīng)r，對(duì)于這些便攜式產(chǎn)品來說，移動(dòng)電源(Power Bank)幾乎成為必備的配件。同時(shí)，隨著鋰離子電池相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，使得移動(dòng)電源的電池容量愈來愈大但體積卻不增反減，大大提升了移動(dòng)電源攜帶的便利性。

目前，移動(dòng)電源本身除了追求愈來愈大的電池容量與僅可能輕薄小巧的外型外，其充電所需的時(shí)間長(zhǎng)短與可釋放出來的總電量多寡也為消費(fèi)者選購(gòu)時(shí)關(guān)心的重點(diǎn)。因此，如何設(shè)計(jì)充電時(shí)間短、轉(zhuǎn)換效率高的移動(dòng)電源電路，亦為移動(dòng)電源產(chǎn)品設(shè)計(jì)上的重要課題。有鑒于此，本文將說明如何實(shí)現(xiàn)一體積小、效率高的移動(dòng)電源電路。

圖1 Charger IC + Boost IC 方案。

圖2 MCU + Charger IC + Boost IC 方案。

圖3 MCU + Combo IC 方案。

電路方案

目前移動(dòng)電源的電路方案大致上可分為三種，第一種方案是Charger IC + Boost IC，此種方案利用Charger IC對(duì)移動(dòng)電源的鋰電池充電，Boost IC對(duì)移動(dòng)裝置放電，如圖1所示。第二種方案是MCU + Charger IC + Boost IC，除了第一種方案的部分外，多了MCU對(duì)鋰電池及輸入輸出電壓作偵測(cè)，此種方案目前比較常見，如圖2所示。第三種方案則是MCU + Combo IC，此種方案是將Charger IC及Boost IC整合成一顆IC，可以減少零件的數(shù)量，節(jié)省PCB空間，如圖3所示。而本文將針對(duì)目前比較常見的第二種方案做詳細(xì)介紹。

移動(dòng)電源電路

這幾年，隨著便攜式產(chǎn)品不斷成長(zhǎng)，移動(dòng)電源的需求也持續(xù)增加，輕薄小巧、快速充電、轉(zhuǎn)換效率高及高安全性等也成為消費(fèi)者購(gòu)買移動(dòng)電源時(shí)的首要考慮，為了滿足消費(fèi)者的需求，許多公司都推出移動(dòng)電源解決方案，在此我們以沛亨半導(dǎo)體所開發(fā)的AIC6511及AIC3420作為設(shè)計(jì)范例，提供給讀者參考。

從上一節(jié)可以得知，一個(gè)完整的移動(dòng)電源電路包含了電池充電管理IC、升壓轉(zhuǎn)換器IC及MCU，每個(gè)部分都會(huì)影響移動(dòng)電源的整體效能，所以選用適當(dāng)?shù)腎C是非常重要的。圖4所示為本文所要介紹的移動(dòng)電源電路，主要由AIC6511鋰離子電池充電轉(zhuǎn)換器、AIC3420升壓轉(zhuǎn)換器及MCU所組成。底下將針對(duì)所提出的移動(dòng)電源電路做詳細(xì)的說明。

圖4 移動(dòng)電源電路。

A.　鋰離子電池充電轉(zhuǎn)換器

鋰離子電池是目前應(yīng)用最廣泛的可重復(fù)充電式電池，可將單顆鋰電池用于低功率產(chǎn)品，也可以將多顆鋰電池串并聯(lián)得到更高電壓與容量，例如移動(dòng)電源就是將多顆鋰電池并聯(lián)來獲得高容量。鋰電池具有能量密度高、自放電率低、無記憶效應(yīng)、壽命長(zhǎng)、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，非常適合做為便攜式產(chǎn)品的電力來源。

鋰電池充電IC分為線性式及切換式兩種，線性式充電IC的成本低，IC接腳數(shù)較少，只需要少數(shù)的被動(dòng)組件。然而線性式充電IC有較大的功率損耗，若設(shè)計(jì)不好常會(huì)導(dǎo)致IC溫度過高，且一般移動(dòng)電源大多使用散熱較差的塑料外殼，使得線性式充電IC無法提供較大的充電電流，因此線性式充電IC通常比較適合低容量鋰離子電池應(yīng)用。若希望在短時(shí)間之內(nèi)將電池充飽，則必須要提高充電電流，此時(shí)可以考慮應(yīng)用切換式充電IC。切換式充電IC利用開關(guān)的高頻切換來達(dá)到能量的傳遞，可提供較大的充電電流，且具有高轉(zhuǎn)換效率不會(huì)有過熱現(xiàn)象，適合高容量電池的充電應(yīng)用。

充電過程中，當(dāng)電池電壓上升到4.2V時(shí)，要立即停止充電，以避免電池過充而產(chǎn)生危險(xiǎn)，而當(dāng)電池放電時(shí)，電池電壓如果降至2.5V以下，要立即停止放電，以免電池過放而減少電池的使用壽命。除此之外，鋰電池在應(yīng)用上，還會(huì)加上短路保護(hù)電路，防止鋰電池因短路而造成危險(xiǎn)。

鋰電池對(duì)充電要求很高，需要精密的充電電路以保證充電的安全，尤其要求終止充電電壓精度在額定值的±0.5%之內(nèi)。目前鋰電池充電最常采用三段充電法，即預(yù)先充電模式(Trickle Charge Mode)、定電流充電模式(Constant Current Charge Mode)、定電壓充電模式(Constant Voltage Charge Mode)。充電IC在充電前會(huì)偵測(cè)電池的狀態(tài)，若電池電壓大于3V，將以定電流充電模式充電;若電池電壓低于3V，則以預(yù)先充電模式(約10%的定電流充電模式充電電流) 充電，到接近終止電壓時(shí)，改為定電壓模式充電，此時(shí)電池電壓幾乎不變，但充電電流會(huì)持續(xù)下降，當(dāng)充電電流降到某一值時(shí)(約10%的定電流充電模式充電電流)，充電電流會(huì)被關(guān)閉，完成充電。圖5所示為采用三段充電法的鋰電池充電特性曲線。

圖5 采用三段充電法的鋰電池充電特性曲線。

B.　鋰離子電池充電轉(zhuǎn)換器

AIC6511是一個(gè)高度整合的切換式鋰離子電池充電管理IC，具有高精度的電流及電壓調(diào)節(jié)能力，適合使用在單顆鋰電池的充電應(yīng)用，當(dāng)電池電壓接近輸入電壓時(shí)，將會(huì)進(jìn)入責(zé)任周期為100%的工作模式持續(xù)對(duì)電池進(jìn)行充電，而其本身高達(dá)1.6MHz的切換頻率，將有助減少外部零件的尺寸。此外，其也具備提供充電狀態(tài)指示及電池移除偵測(cè)機(jī)制，支持USB mode及AC Adapter mode兩種輸入模式，最大可以輸出2A的充電電流，充電電流可由外部電阻來決定。預(yù)先充電電流(Trickle Charge Current)可以由下列公式計(jì)算：

定電流充電電流(Constant Current Charge Current)可由下列公式計(jì)算：

當(dāng)使用USB電源做為輸入時(shí)，則可對(duì)輸入電流做限制使輸入電流可以低于USB電源所能提供的電流，避免USB電源進(jìn)入過流保護(hù)，輸入電流限制設(shè)定值的計(jì)算公式如下：

此外，安全定時(shí)器(Safety Timer)，可避免因電池?fù)p壞時(shí)充電時(shí)間過長(zhǎng)，造成危險(xiǎn)。只要充電時(shí)間達(dá)到設(shè)定的安全計(jì)時(shí)時(shí)間，即便電池還未達(dá)到終止電壓，充電IC也會(huì)關(guān)閉充電電流，停止充電。安全計(jì)時(shí)時(shí)間可以透過電容C5來設(shè)定，預(yù)先充電(Trickle Charge)模式下之安全計(jì)時(shí)時(shí)間可由下列公式計(jì)算：

定電流充電(Constant Current Charge) 模式下之安全計(jì)時(shí)時(shí)間則可由下列公式計(jì)算：

為避免電池高溫充電，并提高安全性，IC透過負(fù)溫度系數(shù)(NTC, Negative Temperature Coefficient)熱敏電阻來偵測(cè)電池溫度，當(dāng)溫度過高或過低時(shí)，IC會(huì)馬上終止充電，只有在電池溫度維持在安全范圍內(nèi)(通常是0～45℃)時(shí)，才會(huì)對(duì)電池進(jìn)行充電。而為了防止電池放電到輸入端，內(nèi)建的休眠模式(Sleep Mode)功能，當(dāng)輸入端電壓低于電池電壓時(shí)， P-channel MOSFET Power Switch將會(huì)關(guān)閉以防止電池對(duì)充電IC或輸入端進(jìn)行放電。

另外，短路保護(hù)(Short Circuit Protection)功能、過電流保護(hù)(Over Current Protection)功能及過溫度保護(hù)(Over Temperature Protection)功能，當(dāng)輸出發(fā)生短路時(shí)，短路保護(hù)功能啟動(dòng)，電感電流會(huì)被限制住且切換頻率也會(huì)降低以減少損失;IC本身也會(huì)偵測(cè)流經(jīng)內(nèi)部功率開關(guān)的電流，當(dāng)功率開關(guān)的電流過大時(shí)，過電流保護(hù)功能啟動(dòng)，限制住功率開關(guān)的電流不再往上增加，以保護(hù)內(nèi)部的切換開關(guān);此外，當(dāng)IC結(jié)面溫度達(dá)到150oC時(shí)，過溫度保護(hù)功能將會(huì)啟動(dòng)，IC會(huì)停止充電，直到IC溫度降至120oC，才回復(fù)充電。

C.　升壓轉(zhuǎn)換器與MCU

AIC3420是一個(gè)具輕載高效率的同步升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器IC，最低輸入啟動(dòng)電壓為0.9V，可以使用單顆鋰電池做為輸入電源，最大輸出電流可達(dá)2.1A，適合較大電流的應(yīng)用。當(dāng)負(fù)載操作在輕載時(shí)，IC會(huì)切換至PSM (Pulse Skipping Mode) 模式降低待機(jī)的功率損失，提升輕載效率。True Shutdown功能，使IC 進(jìn)入Shutdown模式時(shí)，輸出電壓降為0V。而零電流偵測(cè)(Zero Current Detection)功能讓電感電流不會(huì)有倒灌現(xiàn)象，可大幅改善輕載效率，最高效率可達(dá)94%，對(duì)移動(dòng)電源來說可以更有效率的放電。

另外，柔性啟動(dòng)(Soft Start)功能以限制啟動(dòng)時(shí)輸出電壓的過沖(Overshoot)及涌浪電流(Inrush Current)，避免IC及零件的損壞。而AIC3420本身也具有短路保護(hù)、過電流保護(hù)、過溫度保護(hù)及過電壓保護(hù)功能。

本文所介紹的移動(dòng)電源電路中，MCU的主要功能為輸入電壓偵測(cè)、輸出電壓偵測(cè)、電池電量狀況顯示以及輸出過電流保護(hù)等。電路中，LED將顯示電池的電量，可以讓使用者知道電池的電量狀況。而當(dāng)輸入及輸出電壓過高或過低時(shí)，MCU會(huì)送出訊號(hào)關(guān)閉IC;另外，當(dāng)發(fā)生輸出過電流時(shí)，MCU也會(huì)關(guān)閉IC來保護(hù)電池及IC。

結(jié)論

便攜式產(chǎn)品的蓬勃發(fā)展，使得移動(dòng)電源的功能及規(guī)格要求也日漸提升，因此如何有效率的充放電也成為各家廠商發(fā)展的主流。由于切換式充電器在應(yīng)用上較線性式充電器廣泛，也具有更高轉(zhuǎn)換效率，適合高容量鋰電池的應(yīng)用。因此本文提出一個(gè)以切換式充電IC來取代線性式充電IC的移動(dòng)電源方案，來提高充電電流，縮短充電時(shí)間，并使充電電路幾乎不會(huì)有過熱的問題發(fā)生。