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作者：TI公司 Michelle Li，錢金榮 移動設備正日益成為我們日常生活不可或缺的一部分。以智能手機為例，除了簡單的手機呼叫功能外，智能手機現在還具有豐富的特性，能夠支持社交網絡、Web 瀏覽、消息發送、游戲以及大型高清屏幕等應用。所有這些特性已讓手機成了高功耗設備。電池容量和能量密度得到了顯著提升，以滿足更高的電源需求。充電 10 分鐘即可為設備供電一天，而充電一小時即可獲得 80% 的電量，這已成了高端用戶體驗的趨勢。如果將快速充電要求和大型電池容量結合在一起考慮，便攜式設備的充電電流可以達到 4A 甚至更高。這種對大功率的需求給電池供電系統設計帶來了許多新的挑戰。 USB 供電 便攜式設備通常使用 5V USB 電源。傳統 USB 端口如果使用 USB2.0 規范，最大輸出電流是 500mA，或若使用 USB3.0，最大輸出電流則為 900mA，這無法滿足便攜式設備的快速充電要求。USB 適配器（專用充電端口，即 DCP）使用微型 USB 連接頭即可將輸出電流提高到 1.8A。但令人遺憾的是，典型的 5V/2A 電源適配器只能提供 10W 的總功率。如果使用這種電源適配器作為充電器電源，那么電池充電器最多只能提供 2.5A 的充電電流，而這并不足以為 4,000mAh 及更高容量的電池組快速充電。為了提高功率，我們能否繼續增大 5V 電源適配器的輸出電流？如果我們增加成本且使用專用線纜，理論上是可以的。但是，這種做法會受制于下列因素： • 更高適配器電流（例如 2A 或更高）需要更粗的線纜和專門的 USB 連接頭，這會造成系統解決方案成本上升。此外，出于功率損耗和安全性問題考慮，傳統 USB 線纜也不能充分滿足需求。 • 根據線纜長度和粗細的不同，適配器線纜的典型阻抗在 150 到 300mOhm 不等。高適配器輸出電流會造成整個線纜的壓降增大，進而降低充電器輸入端的有效輸入電壓。當充電器輸入電壓接近電池充電電壓時，充電電流會顯著降低，從而延長充電時間。 以使用線纜電阻為 180mOhm 的 5V/3A 適配器為例，線纜上的壓降為 540mV。這樣充電器的輸入電壓就是 4.46V。我們假定充電器輸入端到電池組的總電阻為 150mOhm，這包括充電器功率 MOSFET 的導通電阻和電感器的 DC 電阻。即使充電器能夠支持 3A 的電流，但對 4.35V 鋰離子電池充電而言，最大充電電流僅為 730mA。不足 1A 的充電電流顯然不能高到能滿足快速充電的需要。 根據上述分析，必須提高電源輸入電壓，才能提供足夠的電壓避免充電器進入低壓降模式。出于這些制約因素，如果系統要求的功率大于 10W 或 15W，最好使用高電壓適配器，比如 9V 或者 12V。在相同的功率下，高電壓適配器不僅需要較低的輸入電流，而且還具有更大的輸入電壓裕度，可提供電池充滿電的電壓。高電壓適配器唯一的局限性是存在向后兼容性問題。將高電壓適配器插入到用于支持 5V 輸入的便攜式設備上，如果系統不關閉（由于過壓保護），設備也會遭到損壞（由于缺乏足夠的高電壓保護）。 由于這些限制性因素的存在，USD 供電適配器等眾多新型混合式高電壓適配器正在涌入市場。這類混合電電壓適配器的共同特性是能夠通過適配器與系統控制器之間的握手來識別系統的電壓需求。該適配器以 5V 為起步輸出來作為默省值。只有在系統確認其能支持較高電壓來實現快速充電時，才會將電壓抬升到更高的 9V 或 12V。系統與適配器之間的通信可使用 VBUS 實現，也可借助專門的握手算法或信號來通過 D+ 和 D- 線路實現。這種新型混合、可調節電壓適配器不僅也能用作通用電源，同時還支持作為普通電源的傳統 5V 電壓和用于快速充電的高輸入電壓系統。 快速電池充電 我們能否通過一些特別的電池充電方案在不提高輸入功率或增大充電電流的情況下縮短充電時間呢？要想找到答案，我們需要先來了解一下電池充電周期。 在電池充電周期中存在兩種工作模式：恒流 (CC) 模式和恒壓 (CV) 模式。當電池電壓低于穩壓充電電壓時，充電器便以 CC 模式工作。一旦感測到電池組端電壓達到預先設定的穩壓電壓時，即進入 CV 模式。當實際電池電流達到終止電流時，電池充電即告結束。終止電流通常相當于整個快速充電電流的 5% 到 10%。 在理想的充電系統中，電池組本身沒有任何電阻，僅存在恒流模式。它沒有 CV 充電模式，充電時間最短。其原因在于，只要充電電壓達到穩壓充電電壓，充電電流就會立即下降到零并達到充電終止電流。 但是，在實際電池充電系統中，從電池電壓感測點到電池之間存在一系列電阻。這些電阻包括：1) PCB 線跡電阻；2) 兩個電池充放電保護 MOSFET 的導通電阻；3) 在電量監測計起過流保護作用且用于測量電池充放電電流的電流感應電阻；以及 4) 與電池老化狀況、溫度和充電狀態呈函數關系的電池內部電阻。 在對新電池使用 1C 充電速率時，充電器使用大約 30% 的充電時間工作在 CC 模式下，就可充足大約 70% 的電池容量。相反，充電器需要工作在 CV 模式下用總充電時間的 70% 才能充滿剩余 30% 的電池容量。電池組的內部電阻越大，處于 CV 模式下的充電時間就越長。只有當電池開路電壓達到最大充電電壓時，電池才能完全充滿。如果電池充電電壓感測點與實際電池之間存在較大電阻，那么即便電池組感測到電壓達到穩壓電壓后，真正的電池開路電壓仍然低于所需的穩壓電壓。 對于智能手機和平板電腦等使用 4A 或更大充電電流的應用來說，面臨的困難更大。在如此大的充電電流下，PCB 線跡或電池組內部電阻器上的壓降會顯著增大。這會造成充電器過早進入 CV 模式，造成充電時間拖長。如何才能縮短因這種高壓降拖長的充電時間呢？ 通過密切監測充電電流，就能準確地實時估算充電路徑中的壓降。這種稱為 IR 補償的電阻補償技術能通過提高電池穩壓電壓來補償充電路徑中的額外壓降。采用該技術，充電器就能盡可能長時間地工作在恒流穩壓模式下，直至實際電池開路電壓極為接近所需的電壓值。這樣，處于 CV 模式下的充電時間就能顯著縮短，讓總充電時間縮短達 20%。 系統散熱優化 要實現快速充電功能，就需要使用 9V/1.8A 和 12V/2A 等較高功率適配器。另外，除了為電池充電，電池充電器還能為系統供電。這樣它就成了便攜式電源設備中溫度最高的組件之一。為了提供更理想的終端用戶體驗，設備外殼的溫度和環境溫度之間的最大差異應不超過 15°C。由于這個原因，電池充電器的電源轉換效率和系統散熱性能需要滿足更加嚴格的要求。如何才能同時實現最佳的散熱性能和最理想的效率呢？ 
圖 1：本方框圖代表 4.5A I2C 高效率開關充電器 圖 1 是 4.5A 高效率開關模式充電器的簡化應用電路圖。該充電器可同時支持 USB 和 AC 適配器，而且所有 MOSFET 均內部集成。MOSFET Q2 和 Q3 以及電感器 L 組成了基于同步開關降壓的電池充電器。這種組合能盡可能實現最高的電池充電效率，而且能充分運用適配器功率實現最快的充電速度。MOSFET Q1 可用作電池反向阻斷 MOSFET，防止電池通過 MOSFET Q2 的體二極管漏電到輸入端。此外，它還可用作能監控適配器電流的輸入電流感測元件。MOSFET Q4 可用于主動監控電池充電電流。設計中使用的全部 FET 應有足夠低的導通電阻才能實現高效率。要進一步提升散熱性能，還可采用散熱穩壓環路。當結溫達到預定義的結溫值時，其可通過降低充電電流來避免突破最大結溫限制。
圖 2：不同充電電流下的充電時間比較：2.5A 與 4.5A 實驗測試結果 圖 2 顯示了充電電流與充電時間之間的關系。很容易理解，只要電池充電電流的速率沒有超過電池制造商指定的最大電流速率，那么使用大充電電流就能加快充電速度。如圖 2 所示，充電時間可以縮短 30%。換言之，當充電電流從 2.5A 增大到 4.5A 時，充電時間就會從 269 分鐘縮短到 206 分鐘。 圖 3 顯示了將 IR 補償技術用于實際充電器設計所獲得的充電時間縮短的優勢。充電時間縮短 17%，就可從 234 分鐘縮短到 200 分鐘。
圖 3：使用 IR 補償法的快速充電對比 同樣使用 4.5A 充電電流，充電時間可從 234 分鐘縮短到 200 分鐘。在給單節 8,000mAh 電池充電時，只需補償 70mOhm 電阻，無需增加額外成本和造成額外散熱影響，就可實現這一結果。 總結 對于眾多便攜式設備而言，快速充電正變得前所未有地重要。但這要求在實際充電系統中納入全新的設計思路，包括使用新型高電壓適配器、優化充電電流和散熱等。此外，還需要高級充電模式來優化充電時間，延長電池使用壽命。上述實驗結果驗證了該設計用于快速充電的效能。 |
