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| 充電器IC設(shè)計(jì)需要系統(tǒng)級(jí)考慮 |
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| 文章來源： 更新時(shí)間：2012/3/7 13:28:00 |
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引言
盡管大家都享受到了無線通信的樂趣，但是充電使得這種樂趣打了折扣，并且使人無法擺脫連線。充電總是被看作一件麻煩事，因此蜂窩電話設(shè)計(jì)者以充電簡(jiǎn)捷或盡可能高效率為己任。IC廠商有責(zé)任提供優(yōu)化而有競(jìng)爭(zhēng)力的集成充電器IC，在提供最節(jié)省成本的解決方案的同時(shí)，將所有系統(tǒng)因素考慮在內(nèi)。
充電器如何工作？
由于其在更高能量密度（典型值為150 Wh/kg）方面的好處遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其與鎳金屬氫化物電池相比的價(jià)格劣勢(shì)，因此鋰離子電池是迄今為止最流行的蜂窩電話電池解決方案。根據(jù)電池電壓的不同，集成式鋰離子充電器作為調(diào)節(jié)器起到兩方面的作用。首先是恒定電流(CC)充電。通常，鋰離子電池從3.6V開始充電直到達(dá)到其端接電壓，根據(jù)化學(xué)原理及制造商的不同該端接電壓的典型值為4.15V。當(dāng)電壓在3V以下時(shí)，電池就被認(rèn)為是深度放電，此時(shí)必須使用一個(gè)50mA（典型值）的恒定電流源對(duì)其進(jìn)行預(yù)充電，直到電池電壓達(dá)到3V。當(dāng)電壓低于3V時(shí)，出于安全的考慮禁止使用低于 3V 超過50mA的電流對(duì)鋰離子電池充電。在完成預(yù)充電周期后，充電器切換到高速充電檔，并使用標(biāo)稱電流對(duì)鋰離子電池進(jìn)行充電，該標(biāo)稱電流可以高達(dá)1A。在平均約
20分鐘的快速充電之后，電池達(dá)到其4.15V（典型值）的端接電壓，此后充電調(diào)節(jié)器開始發(fā)揮其第二個(gè)作用：恒定電壓(CV)充電。在恒壓充電期間，充電電流通常從1A降到50mA的預(yù)定水平，同時(shí)在電池上維持4.15V的恒定電壓。一些充電器提供在4小時(shí)恒定電壓充電之后的暫停，以避免對(duì)有缺陷的電池進(jìn)行無休止的充電。當(dāng)在恒壓模式下無休止地充電時(shí)，鋰離子電池也會(huì)更快地老化。
充電器功能包含一個(gè)感應(yīng)電阻器（作為控制環(huán)路一部分，用來測(cè)量充電電流）和一個(gè)導(dǎo)引充電電流的傳遞裝置。美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體提供的諸如LP3945等極具競(jìng)爭(zhēng)力的充電器集成了感應(yīng)電阻器和內(nèi)部傳遞裝置，因而消除了空間已經(jīng)十分局促的系統(tǒng)中的外部元件。
內(nèi)置保護(hù)特性
許多充電器包含防止在不安全情況下充電的安全特性。帶有內(nèi)部感應(yīng)電阻器和傳遞裝置的線性充電器使IC發(fā)熱，因此根據(jù)充電周期的狀態(tài)，充電器封裝要消耗1.5到2W的能量。因此充電器都配備了熱停機(jī)保護(hù)，在超過充電器IC結(jié)溫時(shí)禁止充電。外部電源主要是汽車電池適配器或者墻面交流電適配器。在外部電源低于特定門限電壓的情況下，即通常所說的低電壓鎖定，充電也會(huì)停止。如果充電器的輸入電壓超過了對(duì)于鋰離子電池來說不安全的水平，充電周期也會(huì)終止。該水平稱為過電壓鎖定，其典型值約為4.6V。
為了防止電池通過充電器自身放電，反向電流保護(hù)對(duì)于有競(jìng)爭(zhēng)力的充電器來說是必需的。如果外部電源連接到了電話上而又由于未接通電源或損壞而不起作用，就會(huì)發(fā)生這種情況。美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的集成化鋰離子充電器具有內(nèi)部反向電流保護(hù)功能,消除了對(duì)外部肖特基二極管的需求，它被認(rèn)為是非優(yōu)化解決方案，且對(duì)電源有額外空間要求。
充電器電壓和電流環(huán)路具有緩慢的響應(yīng)時(shí)間，可能變得不穩(wěn)定，例如，如果電池在充電周期中被無意或故意拔掉，充電器就可能開始振蕩。通過檢測(cè)充電過程中的電池電源連接切斷，現(xiàn)代充電器IC本身具有防止這種充電器環(huán)路不穩(wěn)定行為的功能。這是通過加速充電器控制系統(tǒng)的頻率響應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。蜂窩電話因而可以在充電器IC仍然與外部電源連接而電池連接切斷的情況下進(jìn)行工作。
雖然過去蜂窩電話通常通過汽車適配器或墻面交流電適配器進(jìn)行充電，但現(xiàn)在致力于使充電簡(jiǎn)捷的USB充電開始進(jìn)入市場(chǎng)。配備了USB接口的蜂窩電話采用了4端子USB總線(VBUS)的電源線作為充電電源。將USB總線連接到蜂窩電話啟動(dòng)了主機(jī)和外圍設(shè)備之間的USB協(xié)議，在外圍設(shè)備中--此處指蜂窩電話--協(xié)商一個(gè)可以直接用做鋰離子充電器充電電流的500mA電源電流。
充電器IC的熱管理
良好的鋰離子充電器IC定義從封裝需求開始�？臻g是蜂窩電話設(shè)計(jì)中最珍貴的資源，而獨(dú)立的鋰離子充電器IC要求最小的形狀因子。不過，這樣的小型封裝還必須能夠消耗對(duì)于線性恒定電流恒定電壓充電器來說大小為最大充電電流（1.0A）和充電器最大電壓降Vchargerin (6V)- Vbatt(3V) = 6V - 3V的乘積的能量！無引線和裸露的小片連接襯墊封裝在導(dǎo)熱和總尺寸方面提供了最佳解決方案。
由于沒有足夠的消耗IC所產(chǎn)生熱量，倒裝片封裝不實(shí)用�；诟咝是乙蚨湍芎牡拇沤祲夯蜷_關(guān)電容調(diào)節(jié)器的充電器需要的外部元件太大，無法供應(yīng)1A充電電流。這些巨大的電感器和電容器等外部元件阻礙了對(duì)制作最小且最高性能的充電器IC的追求。
除了良好的熱性能封裝之外，一些充電器通過電源調(diào)節(jié)來降低散熱。美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的充電器IC具有電源調(diào)節(jié)功能，充電電流可以作為在電源裝置上產(chǎn)生的電壓降的函數(shù)來調(diào)整。這樣效率更高，因?yàn)閷?duì)于電源裝置上的給定電壓降，可以達(dá)到最大充電電流，而又從不超過封裝的功耗規(guī)范。
結(jié)論
有競(jìng)爭(zhēng)力的充電器IC設(shè)計(jì)是系統(tǒng)需求平衡的結(jié)果。最佳的設(shè)計(jì)充分縮小了封裝尺寸，同時(shí)通過在不超過封裝功耗要求的情況下最大化充電電流，來提供最短充電時(shí)間。同時(shí)，安全特性和測(cè)試設(shè)計(jì)擴(kuò)大了緊密約束的設(shè)計(jì)的小片尺寸。 |
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