越來(lái)越智能的電池充電器芯片

電池壽命無(wú)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(méi)有達(dá)成一個(gè)同樣統(tǒng)一的意見(jiàn)。

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(lái)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(lái)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(lái)說(shuō)，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(guò)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(lái)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(lái)解決過(guò)熱或過(guò)流問(wèn)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)壓保護(hù)機(jī)制。

多種電壓源

有個(gè)越來(lái)越常見(jiàn)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(guò)載的情況下提供這個(gè)功能?？梢酝ㄟ^(guò)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(lái)說(shuō)，移動(dòng)用戶經(jīng)常沒(méi)有時(shí)間去找交流電插座來(lái)給他們的設(shè)備充電，相反，他們希望通過(guò)大多數(shù)電子設(shè)備上都有的眾多USB端口來(lái)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(lái)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(kāi)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(lái)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(guò)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(lái)越多，單節(jié)鋰離子電池已經(jīng)無(wú)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(kāi)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(kāi)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(lái)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(méi)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(lái)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。