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隨著便攜式設備所處的環境越來越嚴苛，便攜式終端用戶將繼續面臨穩健性及穩定性方面的挑戰。某類產品與其他產品的主要區別體現在各種苛刻環境中，設備的穩定性、可靠性以及穩健性的不同。bq2406X 產品系列具有獨特的輸入過電壓保護、散熱調節以及 DTC 功能，實現了一款穩健的系統設計。 現代便攜式設備相當普及，同時越來越A以及便攜式媒體播放器已開始使用鋰離子(Li-Ion)電池。此類可充電電池的高需求量促使眾多的第三方廠商不斷開發出諸如充電座及充電適配器等附件。此類充電適配器雖不昂貴，但其充電特性及保護功能往往與原OEM廠商生產的適配器有所差及可靠性。如果在充電器級的設計過程中謹記以下特性，則可實施一個適用于所有的外部AC適配器的穩健系統： 1. 抑制瞬態電壓峰值的保護; 2. 非穩壓適配器的; 3. 散熱管理及故障保護產品系列的示例，展示了一系列以滿足上述要求為目的的線性充電器。 多種多樣的AC適配器 當今便攜式系統設計方面的主要問題之一在于適應寬輸入電源范圍的需求，例如AC適配器、USB線纜或車載/空載的直流輸出。將適配器以低廉的價格推向市場，取代了昂貴的原始設備制造商(OEM)制造的適配器，從而促進了眾多廠商的發展，使可充電便攜式設備取得了很大成功。此類最流行的電源，如AC適配器，通常可根據其特性劃分為兩種：穩壓適配器(原廠配件)以及非穩壓適配器(普通的配件適配器)。 穩壓適配器的輸出電壓通過內部電路提供非常優良的線路及負載調節。而非穩壓適配器所提供的輸出電壓則取決于負載。線路負載調節能力不強，適配器在過電流狀態下的行為也有所差別。穩壓適配器在進入過電流區域時通常具有更為陡峭的過渡區(transition region)。 輸入瞬變和過電壓狀態 當今，靠上述適配器供電的便攜式設備在設計時必須整合保護功能，將過電壓損壞終端設備的風險降到最小。過電壓可為兩種模式：直流過電壓以及瞬變過電壓。 通常情況下，直流過電壓源于所插入的配件或非標準適配器上錯誤的輸出電壓。另一方面，將適配器熱插入終端設備時，就會出現瞬變過電壓。瞬變過電壓可輕松地達到正常適配器輸出電壓的2倍，如圖1所示。 
圖1：多種功能的完美結合造就了線性充電器穩健的系統設計。 如果設計合理，充電器級可用于將外部電源與電池和系統隔離，如圖2所示。在該拓撲結構中，電池組及系統的正極終端被連接至充電器的輸出。充電器功率級有效地將外部適配器與系統電源總線隔離。 實施如圖2所示的拓撲結構以后就得到了一種穩健的設計，其充電器級整合了輸入過電壓保護(OVP)功能，以監測輸入電壓并在探測到直流過電壓時關閉充電器級。當充電器級關閉時，系統的電源總線與適配器的輸出完全隔離。對于5V的穩壓適配器而言，其輸入過電壓保護閾值通常設定為6.5V。bq2406X系列提供了6.5V及10.5V的選擇以適用于穩壓和非穩壓適配器。
圖2：充電器級將外部電源與電池和系統隔離。 為隔離并保護系統和電池免受外部電源瞬變過電壓的損害，可以使用具有約2倍于一般適配器額定電壓的寬輸入電壓范圍的充電器級。 需要注意的是，在上述所討論的拓撲結構中，若最小的系統電流(例如待機模式下)高于終止電流閾值，則可能會產生鎖死情況。如果系統電流高于終止電流閾值，那么將無法對終止電流進行檢測。安全計時器將被激活，充電器級將在電池充至滿容量之前就斷電。為解決可能發生的該問題，當設備處于高功率模式而電池充電器處于開啟模式時，bq2406X系列提供了一個關閉安全計時器以及充電終止功能的選項。 散熱管理與故障保護 線性充電器中至系統電源總線的高輸入電壓差分可導致裸片溫度上升，甚至會超過最高的結點溫度值并引起熱損壞。為避免該問題發生，此類設計必須考慮使用包含了熱關斷及熱調節功能的穩健的散熱管理解決方案。 通常，所有集成充電器IC都必須具有內部熱關斷功能，一旦IC的內部結點溫度超過了最高結點溫度值，熱關斷功能將被觸發，以確保運行過程中不會發生熱損壞。在典型的應用中，當充電電流大約為1A而充電器輸入電壓高于電池電壓2~3V時，熱關斷功能將被激活。在激活狀態下，熱關斷電路將關閉充電器功率級，以避免熱損壞。通常的熱關斷電路都具有設計上的滯后效應。當IC裸片溫度降低時，功率級才重新開啟。裸片溫度會一直升高，直到熱關斷電路被再次激活。其散熱所維持時間可達數秒，維持時間取決于PCB的布局，該工作模式在以充電狀態LED指示時一般被稱為“閃爍”(flashing)模式。 為解決此類散熱問題，可添加一個散熱環路，以降低充電電流并確保IC結點溫度低于熱關斷閾值。為bq2406X系列線性充電器添加了散熱環路的運行如圖2所示。散熱環路在激活狀態下可有效降低充電電流，降低充電器級功率MOSFET的功耗。 需要注意的是，具有散熱環路的線性充電器在輸入電壓過高的情況下，充電電流值可降至非常低。在此類情況下，誤終止(false termination)可對充電電流是否降至低于終止閾值進行檢測。為避免此問題，bq2406X將在散熱環路激活時使終止功能關閉。 動態計時器控制 充電安全計數器用于檢測故障條件，如果充電周期時長超過正常狀態下所期望的總體時間，且充電電流等于額定的快速充電電流，則判斷出現故障。在散熱環路激活狀態下，充電電流降低。若是散熱環路在較長一段時間內被激活，那么故障安全計數器的故障狀態即可觀察得出。為避免錯誤狀態的發生，bq2406X充電器IC激活了動態計時器控制(DTC)，這是一個內置電路，其通過編程調整計時終止輸出的時間值來降低安全計數器的時鐘效率。DTC電路將在散熱環路被激活時同時開啟。
圖3：散熱環路在輸入電壓瞬變情況下的運行。 散熱調節功能以及DTC電路提供了穩健的散熱管理及故障保護方法，以保護充電器級和系統免遭瞬變或其他過電壓狀態所引起的散熱故障。 本文小結 此處所討論的便攜式設備在各廠商之間存在著激烈的競爭，并且在不斷進行創新，差異化也在加強。隨著便攜式設備所安置的使用環境越來越嚴苛(例如，在炎熱的夏日將電話放置在汽車內充電，或是插入了廉價的配件或錯誤的適配器)，終端用戶將繼續面對在穩健性及穩定性方面便攜式設備所帶來的挑戰。一類產品與其他產品的主要區別體現在出現上述不希望出現的狀態時，設備的穩定性、可靠性以及穩健性的不同。bq2406X產品系列具有獨特的輸入過電壓保護、散熱調節以及DTC功能，造就了一款穩健的系統設計以解決這些問題。 系統設計工程師的職責就在于將此類因素納入考慮，以確保其產品更智能、更穩健，以使其產品在眾多的產品中獨樹一幟，而不是“泯然眾人”。 作者：TI公司Pavan Pudipeddi Pavan Pudipeddi is a product manager for Texas Instruments' Battery Charge Management Group. Pavan is responsible for defining next generation Battery Charger ICs for Mobile phones, Smartphones, portable media players and other high volume consumer products. Pavan has more than 8 years experience in the semiconductor industry and has held positions in engineering, product definition and strategic marketing. He holds a BS degree in electrical engineering and an MS degree in Computer Science. He can be reached at pudipeddi@ti.com. |
