充电电路没有简单事，浅谈如何执行高效率设计

　　给锂电池充电，对于现代的人来说，已经是司空见惯的事情，但对于充电你又了解多少？就拿移动设备来说，如何保证设备在充电过程中对电池进行保护？而在充电电路的设计中，旁路元件又该如何选择呢？下面我们就从充电电路的原理及应用入手，全方位介绍充电电路，希望能够对大家有所帮助。

　　充电电路的原理及应用

　　锂离子电池以其优良的特性，被广泛应用于： 手机、摄录像机、笔记本电脑、无绳电话、电动工具、遥控或电动玩具、照相机等便携式电子设备中。

　　一、锂电池与镍镉、镍氢可充电池：

　　锂离子电池的负极为石墨晶体，正极通常为二氧化锂。充电时锂离子由正极向负极运动而嵌入石墨层中。放电时，锂离子从石墨晶体内负极表面脱离移向正极。所以，在该电池充放电过程中锂总是以锂离子形态出现，而不是以金属锂的形态出现。因而这种电池叫做锂离子电池，简称锂电池。

　　锂电池具有：体积小、容量大、重量轻、无污染、单节电压高、自放电率低、电池循环次数多等优点，但价格较贵。镍镉电池因容量低，自放电严重，且对环境有污染，正逐步被淘汰。镍氢电池具有较高的性能价格比，且不污染环境，但单体电压只有1.2V，因而在使用范围上受到限制。

　　二、锂电池的特点：

　　1、具有更高的重量能量比、体积能量比；

　　2、电压高，单节锂电池电压为3.6V，等于3只镍镉或镍氢充电电池的串联电压；

　　3、自放电小可长时间存放，这是该电池最突出的优越性；

　　4、无记忆效应。锂电池不存在镍镉电池的所谓记忆效应，所以锂电池充电前无需放电；

　　5、寿命长。正常工作条件下，锂电池充/放电循环次数远大于500次；

　　6、可以快速充电。锂电池通常可以采用0.5～1倍容量的电流充电，使充电时间缩短至1～2小时；

　　7、可以随意并联使用；

　　8、由于电池中不含镉、铅、汞等重金属元素，对环境无污染，是当代最先进的绿色电池；

　　9、成本高。与其它可充电池相比，锂电池价格较贵。

　　三、锂电池的内部结构 ：

　　锂电池通常有两种外型：圆柱型和长方型。

　　电池内部采用螺旋绕制结构，用一种非常精细而渗透性很强的聚乙烯薄膜隔离材料在正、负极间间隔而成。正极包括由锂和二氧化钴组成的锂离子收集极及由铝薄膜组成的电流收集极。负极由片状碳材料组成的锂离子收集极和铜薄膜组成的电流收集极组成。电池内充有有机电解质溶液。另外还装有安全阀和PTC元件，以便电池在不正常状态及输出短路时保护电池不受损坏。

　　单节锂电池的电压为3.6V，容量也不可能无限大，因此，常常将单节锂电池进行串、并联处理，以满足不同场合的要求。

　　四、锂电池的充放电要求；

　　1、锂电池的充电：根据锂电池的结构特性，最高充电终止电压应为4.2V，不能过充，否则会因正极的锂离子拿走太多，而使电池报废。其充放电要求较高，可采用专用的恒流、恒压充电器进行充电。通常恒流充电至4.2V/节后转入恒压充电，当恒压充电电流降至100mA以内时，应停止充电。

　　充电电流（mA）=0.1～1.5倍电池容量（如1350mAh的电池，其充电电流可控制在135～2025mA之间）。常规充电电流可选择在0.5倍电池容量左右，充电时间约为2～3小时。

　　2、锂电池的放电：因锂电池的内部结构所致，放电时锂离子不能全部移向正极，必须保留一部分锂离子在负极，以保证在下次充电时锂离子能够畅通地嵌入通道。否则，电池寿命就相应缩短。为了保证石墨层中放电后留有部分锂离子，就要严格限制放电终止最低电压，也就是说锂电池不能过放电。放电终止电压通常为 3.0V/节，最低不能低于2.5V/节。电池放电时间长短与电池容量、放电电流大小有关。电池放电时间（小时）=电池容量/放电电流。锂电池放电电流 （mA）不应超过电池容量的3倍。（如1000mAH电池，则放电电流应严格控制在3A以内）否则会使电池损坏。

　　目前市场上所售锂电池组内部均封有配套的充放电保护板。只要控制好外部的充放电电流即可。

　　五、锂电池的保护电路：

　　两节锂电池的充放电保护电路如图一所示。由两个场效应管和专用保护集成块S--8232组成，过充电控制管FET2和过放电控制管FET1串联于电路，由保护IC监视电池电压并进行控制，当电池电压上升至4.2V时，过充电保护管FET1截止，停止充电。为防止误动作，一般在外电路加有延时电容。当电池处于放电状态下，电池电压降至2.55V时，过放电控制管FET1截止，停止向负载供电。过电流保护是在当负载上有较大电流流过时，控制FET1使其截止，停止向负载放电，目的是为了保护电池和场效应管。过电流检测是利用场效应管的导通电阻作为检测电阻，监视它的电压降，当电压降超过设定值时就停止放电。在电路中一般还加有延时电路，以区分浪涌电流和短路电流。该电路功能完善，性能可靠，但专业性强，且专用集成块不易购买，业余爱好者不易仿制。

　　六、简易充电电路：

　　现在有不少商家出售不带充电板的单节锂电池。其性能优越，价格低廉，可用于自制产品及锂电池组的维修代换，因而深受广大电子爱好者喜爱。有兴趣的读者可参照图二制作一块充电板。其原理是：采用恒定电压给电池充电，确保不会过充。输入直流电压高于所充电池电压3伏即可。R1、Q1、W1、TL431组成精密可调稳压电路，Q2、W2、R2构成可调恒流电路，Q3、R3、R4、R5、LED为充电指示电路。随着被充电池电压的上升，充电电流将逐渐减小，待电池充满后R4上的压降将降低，从而使Q3截止， LED将熄灭，为保证电池能够充足，请在指示灯熄灭后继续充1—2小时。使用时请给Q2、Q3装上合适的散热器。本电路的优点是：制作简单，元器件易购，充电安全，显示直观，并且不会损坏电池．通过改变W1可以对多节串联锂电池充电，改变W２可以对充电电流进行大范围调节。缺点是：无过放电控制电路。图三是该充电板的印制板图（从元件面看的透视图）。

　　七、单节锂电池的应用举例

　　1、 作电池组维修代换品

　　有许多电池组：如笔记本电脑上用的那种，经维修发现，此电池组损坏时仅是个别电池有问题。可以选用合适的单节锂电池进行更换。

　　2、 制作高亮微型电筒

　　笔者曾用单节3.6V1.6AH锂电池配合一个白色超高亮度发光管做成一只微型电筒，使用方便，小巧美观。而且由于电池容量大，平均每晚使用半小时，至今已用两个多月仍无需充电。电路如图四所示。

　　3、代替3V电源

　　由于单节锂电池电压为3.6V。因此仅需一节锂电池便可代替两节普通电池，给收音机、随身听、照相机等小家电产品供电，不仅重量轻，而且连续使用时间长。

　　八、锂电池的保存：

　　锂电池需充足电后保存。在20℃下可储存半年以上，可见锂电池适宜在低温下保存。曾有人建议将充电电池放入冰箱冷藏室内保存，的确是个好注意。

　　九、使用注意事项：

　　锂电池绝对不可解体、钻孔、穿刺、锯割、加压、加热，否则有可能造成严重后果。没有充电保护板的锂电池不可短路，不可供小孩玩耍。不能靠近易燃物品、化学物品。报废的 锂电池要妥善处理。

　　便携产品充电电路旁路元件的选择

　　手机、数码相机、数码摄像机、DVD播放器、MP3播放器和PDA等便携式产品的充电电路设计可以采用四种不同的拓扑结构。四种解决方案都使用带外部旁路元件（见图1）的控制PMU（电源管理单元）。本文将探讨外部旁路元件的组成，并将讨论各种设计的优点和缺点。

　　图1 带外部旁路元件的解决方案

　　选择旁路元件取决于不同因素和它们各自对设计的重要性，包括开关效率、功率损耗、散热、驱动电路配置、PMU配置、PCB占位面积、封装高度、ESD 容差和价格。充电电路额定电流小于600mA时，旁路元件经常集成在PMU中，完全不需要外部元件，因此，本文着重于讨论额定电流为1A的便携式产品的充电电路。旁路元件的四种不同的拓扑结构如图2所示。

　　图2 旁路元件的四种不同的拓补结构

　　开关效率对于电路很重要，其中旁路元件的开关时间引起的损耗将影响电池寿命。

　　正在推出的开关充电电路在给定面积中的功耗比标准线性稳压器少。拓扑结构A、B和D适用于这种情况，设计人员在选择时可以着重考虑MOSFET的开关时间。

　　导电功耗是影响电路效率的重要因素。旁路元件上的压降越小，功耗就越小。拓扑结构A和B都含有肖特基二极管，其上的压降相对较高，因此功耗也较大。拓扑结构C是一个低VCEsat的双极晶体管（BJT），其中设计人员必须考虑驱动电流损耗以及BJT上的损耗。拓扑结构D使用了两个串联现代沟道（modern trench）MOSFET，其中两个元件都增加了损耗。背靠背布置的小RDS（ON） MOSFET可提供极小的导通功耗。

　　散热在线性稳压充电电路中起着重要作用。1A的线性稳压使这些超小的封装产生大量的热量。散热方法之一是使用单独封装的元件，让不同元件在PCB上均匀散热。替代方案是将几个元件封装在一起，设计时需要着重考虑的是封装热阻。WDFN 2mm×2mm封装中的BJT和MOSFET新产品的特征是垫盘暴露在下面，明显降低了热阻。使用拓扑结构C（BJT）时，设计人员需要考虑潜在的热量流失。

　　驱动电路配置会受PMU设计影响，大多数PMU会提供为BJT或MOSFET设计的驱动电路。在分立设计中，BJT会需要能被吸收或耗散的连续驱动电流。增益相对高的BJT需要更小的驱动电流。MOSFET需要高栅极电压以得到低导通损耗。对于P沟道器件，可能需要增加一个电平偏移，而N沟道器件可能需要增加一个电荷泵。

　　PMU配置可能使用旁路元件完成充电以外的功能。拓扑结构D中，旁路元件用作开关，让电流从充电电池返回到另一个元件或电路。这种配置经常用于笔记本电脑中的可拆卸电池组上，其中相同的电池组连接器用于电池充电并对笔记本电脑供电。而且，在电话中，电池可用于驱动外部扬声器、MP3播放器、蓝牙等。

　　由于设计人员要不断满足更新的挑战，在更小的空间中容纳更多的元件，因此，PCB占位面积和封装高度也起着重要的作用。WDFN（0.75mm）或 UDFN封装（0.55mm）的特征是外形极薄、占位面积小且性能高，它们是今天便携式电子设备的中常选用的器件封装方式。如果封装高度和占位面积不重要，那么设计人员可以从所有四种拓扑结构选择多样化的封装形式，其中，拓扑结构A需要挑选并放置另一额外元件。

　　随着便携式产品越来越小，ESD容差也变得越来越重要。邻近或在连接器上的ESD电荷变得越来越重要。因为BJT（HB＞8000V）的结构，其抗ESD性能明显比MOSFET（HB＞300V）好，而且不需要外部ESD保护，因此减少了元件数量。

　　价格始终是设计人员需要考虑的一个重要因素。封装形式越老、封装尺寸越大，价格就越低。比如，SOT23（3 mm×3mm）是业内成本最低的封装之一。至于其他小型封装，如ChipFET（3mm×2mm）或最新的WDFN（2mm×2mm）封装，尺寸更小、热阻更低，但是价格较高。在体积较大、形式较老的封装中使用拓扑结构A将是性价比最高的解决方案。

　　结论

　　新产品推出时间越来越短，使得设计工程师不得不重用前一充电电路的设计，而这种做法常常使制造商陷入更被动的局面，因为他们的竞争对手正在评估最新的技术并应用这些新解决方案以获得明显的性能优势。市场需要更小、更薄、更快、更耐热和更可靠的产品，在变携产品的充电电路设计上，也是同样，需要设计工程师考虑多方面的因素，最后取得性能和价格的平衡，使自己的产品能接受市场的挑战。

　　如何权衡充电电池与电源管理

　　便携式电子设备设计人员可以选择各种各样的化学技术、充电器拓扑以及充电管理解决方案。选择一款最为合适的解决方案应该是一项很简单的工作，但是在大多数情况下这一过程颇为复杂。设计人员需要在性能、成本、外形尺寸以及其他关键要求方面找到一个最佳平衡点。

　　本文将为广大设计人员和系统工程师提供一些指导和帮助以使得该选择工作变得更为轻松。

　　以3“C”开始实现充电控制

　　所有使用可充电电池的系统设计人员都需要清楚一些基础设计技术，以确保满足下面三个关键的要求：

　　1、电池安全性：毋庸置疑，终端用户安全是所有系统设计中最优先考虑的问题。大多数锂离子（Li-Ion）电池组和锂聚合物（Li-Pol）电池组都含有保护电子电路。然而，还有一些系统设计需要考虑的关键因素。其中包括但不局限于确保在锂离子电池充电最后阶段期间1%的稳压容限、安全处理深度放电电池的预处理模式、安全计时器以及电池温度监控。

　　2、电池容量：所有的电池充电解决方案都要确保在每一次和每一个充电周期都能将电池容量充至充满状态。过早的终止充电会导致电池运行时间缩短，这是当今高功耗的便携式设备所不希望的。

　　3、电池使用寿命：遵循建议的充电算法是确保终端用户实现每个电池组最多充电周期的重要一步。利用电池温度和电压限定每一次充电、预处理深度放电电池并避免过晚或非正常充电终止是最大化电池使用寿命所必须的一些步骤。

　　表1：充电控制总结。

　　电池化学技术的选择

　　现在系统设计人员可以在多种电池化学技术中进行选择。设计人员通常会根据下面的一些标准进行电池化学技术的选择，其中包括：

　　· 能量密度

　　· 规格和外形尺寸

　　· 成本

　　· 使用模式和使用寿命

　　近年来，尽管使用锂离子电池和锂聚合物电池的趋势增强，但是Ni电池化学技术仍然是诸多消费类应用一个不错的选项。

　　无论选择何种电池化学技术，遵循每一种电池化学技术的正确充电管理技术都是至关重要的。这些技术将确保电池在每一次和每个充电周期都能被充至最大容量，而不会降低安全性或缩短电池使用寿命。

　　NiCd/NIMH

　　在一个充电周期开始之前，并且尽可能在开始快速充电之前对镍镉（NiCd）电池和镍氢（NiMH）电池必须要进行检验和调节。如果电池电压或温度超出了允许的极限是不允许进行快速充电的。出于安全考虑，对所有“热”电池（一般高于45℃）的充电工作都会暂时终止，直到电池冷却到正常工作温度范围内才会再次运转。要想处理一个“冷”电池（一般低于10℃）或过度放电的电池（每节电池通常低于1V），需要施加一个温和的点滴式电流。

　　当电池温度和电压正确时快速充电开始。通常用1℃或更低的恒定电流对NiMH电池进行充电。一些NiCd电池可以用高达4C的速率进行充电。采用适当的充电终止来避免有害的过充电。

　　就镍基可充电电池而言，快速充电终止基于电压或温度。如图1所示，典型的电压终止方法是峰值电压探测，在峰值时即每个电池的电压在0～-4mV范围内，快速充电被终止。基于温度的快速充电终止方法是观察电池温度上升率T/t来探测完全充电。典型的T/t率为1℃/每分钟。

　　图1：镍电池化学技术的充电曲线。

　　锂离子/锂聚合物电池

　　与NiCd电池和NiMH电池相类似，在快速充电之前尽可能检验并调节锂离子电池。验证和处理方法与上述使用的方法相类似。

　　如图2所示，验证和预处理之后，先用一个1C或更低的电流对锂离子电池进行充电，直到电池达到其充电电压极限为止。该充电阶段通常会补充高达70%的电池容量。然后用一个通常为4.2V的恒定电压对电池进行充电。为将安全性和电池容量，必须要将充电压稳定在至少1%。在此充电期间，电池汲取的充电电流逐渐下降。就1C充电率而言，一旦电流电平下降到初始充电电流的10-15%以下充电通常就会终止。

　　图2：锂离子电池化学技术充电曲线。

　　开关模式与线性充电拓扑的对比

　　传统上来说，手持设备都使用线性充电拓扑。该方法具有诸多优势：低实施成本、设计简捷以及无高频开关的无噪声运行。但是，线性拓扑会增加系统功耗，尤其是当电池容量更高引起的充电率增加的时候。如果设计人员无法管理设计的散热问题，这就会成为一个主要缺点。

　　当PC USB端口作为电源时，则会出现其他一些缺点。当今在许多便携式设计上都具有USB充电选项，并且都可提供高达500mA的充电率。就线性解决方案而言，由于其效率较低，可以从PC USB传输的“电能”量就被大大降低，从而导致了充电时间过长。

　　这就是开关模式拓扑有用武之地的原因。开关模式拓扑的主要优势在于效率的提高。与线性稳压器不同，电源开关（或多个开关）在饱和的区域内运行，其大大降低了总体损耗。降压转换器*率损耗的主要包括开关损耗（在电源开关中）以及滤波电感中的DC损耗。根据设计参数的不同，在这些应用中出现效率大大高于 95%的情况就不足为奇了。

　　当人们听到开关模式这个术语时大多数人都会想到大型IC、大PowerFET以及超大型电感！事实上，虽然对于处理数十安培电流的应用而言确实是这样，但是对于手持设备的新一代解决方案而言情况就不一样了。新一代单体锂离子开关模式充电器采用了最高级别的芯片集成，高于1MHZ的使用频率以最小化电感尺寸。图1说明了当今市场上已开始销售的此类解决方案。该硅芯片的尺寸不到4mm2，其集成了高侧和低侧PowerFET。由于采用了3MHz开关频率，该解决方案要求一个小型1uH电感，其外形尺寸仅为：2mmx2.5mmx1.2mm（WxLxH）。　　应用新型充电方案，提高锂电子电池的充电安全

　　锂离子电池以其能量密度高、体积小、重量轻等优点，在手机、笔记本电脑市场已经完全取代其他电池，占有率几乎达到了100%。目前，锂电池正迅速延伸至电动工具及其他的应用中，它广阔的市场前景也越来越得到业界的认同。不过，与镍氢、镍镉、铅酸电池相比，要更快地推动锂离子电池的应用和发展，还必须不断提高它的安全性和使用寿命。本文将从充电器角度，讨论一种新型的充电解决方案以提高锂电池的安全性，延长电池使用寿命，同时降低充电器的成本。

　　在使用电池的过程中，我们常会听到电池业者这样的一句话：“电池使用中坏的少，更多的是被充坏的”。这句话我们可以理解为，不正确的充电条件或方法将更容易损害电池、降低电池的寿命。以18650钴酸锂离子电池为例，当充电过温，在70℃左右：电解质界面（SEI）模开始分解并发热；120℃左右：电解质、正极开始热分解，造成析气并使温度迅速上升；在到260℃左右：电池爆炸。或充电过压，以过压5.5V来看，容易使锂金属析出，溶剂被氧化，温度上升，产生恶性循环，甚至电池着火、爆炸。因此，针对如何充电，我们共同来探讨下面几个重要的问题。

　　为什么需要预充功能？

　　电池工作电压从2.5V（碳负极电池：3V，电量为0%）到4.2V（电量为100%）。当电压小于2.5V时，电池放电终止。同时因为放电回路关闭使内部保护电路的电流损耗也降为最低。当然，实际应用中由于不同的内部材质，放电终止电压可在2.5V-3.0V范围。当电压超过4.2V时，充电回路终止，以保护电池安全；而当单体电池工作电压降到3.0V以下，我们即可认为过放电状态，放电回路终止，以保护电池安全。所以电池不用时，应将电池充电 20%的电量，再进行防潮保存。

　　由于锂离子电池具有较高的能量比，因此在电池使用中要严格避免过充，过放的现象。过放会导致活性物质的恢复困难，此时如果直接进入快速冲电模式 （大电流），会对电池产生损害，影响使用寿命并可能因此带来安全隐患。先以小电流（C/10）充到2.5V至3.0V，再转换成快充是必要的。

　　虽然目前锂离子电池在应用中都带有保护板，在通常的情况下，发生过放的几率会很小，但不加预充功能，在这两种情况下的情况还是可能带来过放的隐患。一是保护板失效，二是长时间放置（5%-10%/月）的自放电率。因此小电流预充可以有效解决过放电池的充电问题。

　　但是，充电电流并非越大越好。以单体锂离子电池为例，它的充电方式都包括恒流、恒压充电过程，恒压通常为4.2V（以LiCoO2电池为例），恒流设置值为0.1C～1C。虽然大电流的充电会缩短充电时间，但也会造成电池生命周期的缩短和容量的降低，因此我们需选择恰当的恒流值进行充电。

　　下面是一个4.2V/900mAH LiCoO2电芯的不同电流充电与电池容量的关系曲线（图1），我们可以看出大约500个充放周期后，小电流充电的电池容量明显大于大电流充电的电池容量。

　　恒压充电时的电压精度要求

　　作为高能量密度电池，过充会对锂离子电池造成很大的危害，有可能会膨胀漏液甚至发生爆炸。而且过充容易造成电池里面的电解物质加快反应而造成电池的使用寿命减短，因此准确的恒压值充电对锂离子电池的使用寿命而言有着重要的意义。

　　为了更充分地充满电，要保证恒压值和终止电压值的精度在1%之内。以钴酸锂离子电池为例，最好能尽可能接近4.2V，但又不超过4.2V，这种高精度的电压充电法，可以减少钴的溶解，稳定LiCoO2的层状结构，使它的包覆不发生相变，提高循环性能，并保持高容量。此外，即使轻微的过压也会带来两个现象的改变，电池初始容量减小和电池循环寿命降低。

　　在多节锂离子电池串联的情况下，为保证获到最大的电池容量和寿命，因此有时甚至要求精度达到0.5%以内。所以说，充电电压的精度控制是锂离子电池充电器的一个关键技术。

　　目前人们对锂电池充电电压有这样一个误解，认为有了电池保护板，在电压精度上不必关心，这是不可取的。因为电池保护板目的是用于对可能的意外事故进行及时的保护，它考虑的比较多的是安全因素，而不是性能因素。比如以4.2V的电芯为例，保护板的过压保护参数是4.30V（有的可能会要 4.4V），假如每次都过充，以4.30V作为充电截止点，电池容量也会很快衰减的。

　　为什么需要充电定时器

　　曾有一家充电器厂商表示，他们以前常碰到充电器用户来退货，说充电器坏了，原因是电池充了一天，电池都充不饱，充电器不转灯，一直是红灯。可厂家对充电器实际测量时，又发现它是正常的，符合出厂要求。这是什么问题呢？这主要是因为这充电器没考虑到电池的老化后自放电变大。如果截止充电的电流设置过小，将使得老化的电池一直达不到充电完成的设置点，从而使得用户产生误判，认为充电器已坏。

　　充电定时器的作用就是防止已损害的或过多循环的锂电池，在充电的截止段，由于自放电过大，使电池难以进入EOC的状态（高于判断电流），一方面给用户带来电池充不饱的误判，另一方面也可能由于过长时间的充电，带来电池过热发生膨胀，甚至危险。

　　针对这些因素考量，凹凸科技（O2Micro）推出的新型多串锂离子电池充电芯片OZ8981已是一个完善的解决方案。OZ8981是一个专用的充电管理集成芯片，它带精确电压，电流输出和多重保护，并提供六阶段充电控制模式，系统设计方便且成本低。它主要针对用于轻型电动汽车，电动自行车和电动工具上多节锂离子电池包。

　　高性价比和高可靠性的OZ8981包含单芯片集成充电控制器，可实现高效的误差放大器输出。它支持0V脉冲充电、预充电、恒流充电、恒压充电、截止充电、自动再充电六阶段智能充电控制。支持对预充电的启动电压、恒流充电值、恒压充电值及截止充电电流值进行灵活设置。

　　此外，OZ8981具有高精准充电电压（《1%）和电流（《5%）输出；通过外部电阻调整，电压输出精度可《0.5%。支持双充电定时器保护：预充电定时，恒压充电定时（最大5小时，或不使用）。支持双温度保护：芯片内部温度保护（115℃），外部过高温保护（默认：44℃） 和过低温保护（默认：2℃）。外部温度保护点可外部灵活设置。支持充电过压保护、过流保护、短路保护。支持电池自动接入检测，支持充电状态的直接LED显示。该器件采用通用封装SOP16。

　　图4为OZ8981锂离子电池充电曲线图。通过与前端PWM芯片的结合，OZ8981将帮用户快速的实现安全高效且低成本的锂离子电池充电器设计。

　　　　安森美新电池充电技术应对便携设备新挑战

　　近年来，智能手机、平板电脑等便携设备市场强劲发展，更大尺寸的屏幕日渐流行，消费者对应用处理器、图形处理器及外设的电源管理体验的要求越来越高。这些促使便携设备采用更大容量的电池，如一些最新智能手机配备了2000 mAh甚至达3000 mAh电池，电池生态系统趋势也随之发生了重大变化。

　　此外，许多便携设备的输入连接也从专有方案转为微型USB插口；USB供电（rev 1.0 Jul 2012） 标准的发布，更能适应最新的便携设备USB端口的供电要求。这些都迫切需要既可提高能效又满足上述要求的技术解决方案。推动高能效创新的安森美半导体新推出了NCP185x系列开关电池充电方案，帮助设计工程师应对便携设备大容量电池的快速充电挑战，并帮助优化用户体验。

　　采用新颖的自动输入限流器（AICL）技术实现更快速充电

　　电池充放电管理在便携设备设计的合理性和可靠性方面至关重要。电池充放电的挑战之一是需要强固性、高能效及快速充电时间来满足当今高性能、空间受限型应用的要求。而大容量电池需要更大的充电电流来缩短充电时间。

　　传统线性电池充电方式（包括脉冲方式）在大电流下存在效率较低、发热量大等问题。与线性解决方案相比，开关充电方案有明显的优势，如可从输入转换更多的电能至输出；工作能效更高，可降低能耗及简化手机设计；在输入源受限时（如采用5 V，500 mA USB端口充电），能提供更大的电流。综合上述优势，开关电池充电器件的充电速度可比线性电池充电器快30%。

　　由于手机等设备无法知道用户使用的电源适配器或USB端口的负载电流能力，所以充电管理器件必须具有检测适配器或USB端口负载电流的功能，以确保手机设备在安全电流条件下工作。在充电结束后，充电管理器件应断开与系统的连接，系统从外部电源取电；只有当外部电源移出时，系统才从电池取电。

　　安森美半导体的NCP185x系列开关电池充电器件就是一种新的充电技术。其充电过程迅速，具有自动输入限流（AICL）功能；在充电结束时还可自动断开电池连接，延长电池寿命。它可以提供更大的输出电流，效率高达85％，发热量小，实现更快、更安全高效的充电，有助于提升用户体验；还可以提高系统稳定性，简化系统设计。

　　NCP185x系列在输入源受限的情况下，采用符合100 mA、500 mA、900 mA或1.5 A USB充电规范的输入电流限制器，利用自动检测模式在最大充电电流时进行调整，使其适应输入源的能力，并可缩短最少达10分钟的总体充电时间。

　　图1：利用自动输入限流缩短总体充电时间

　　充电结束时自动断开电池连接，延长电池使用寿命

　　不少用户经常抱怨电池寿命短，许多便携系统的电池寿命在使用几个月后就受到明显影响，原因是电池在充电结束后还一直在充电。优化电池总体寿命的方法是在充电结束时电池连接即自动断开。安森美半导体NCP185x带有充放电路径管理功能，可以在系统充电结束时自动断开电池连接，系统仅从外部带有适配器或 USB端口取电，仅在出现峰值电流活动（大于外部电源适配器所能提供的电流，如使用GSM）时，才导通电池与系统之间连接，短时间从系统补充电流，其他时间电池与系统保持管理。在外部电源连接情况下，系统优先从外部适配器取电，以保存电池电量，延长电池使用时间，如图2所示。

　　图2：充电结束时自动断开电池连接

　　如果使用不带充放电路径管理的器件，充电结束后，充电模块关闭，系统开始从电池取电，电池电压随之降低，一旦电压降低到一个门限值，充电周期重新开始，使电池经常处于充放电、再充电循环之中，容易造成电池过早老化。

　　即时导通技术改善用户体验

　　电池充电的另一个挑战是需要改善用户体验。用户时常有这样的疑问：为什么电池电量低时我要充电5分钟后系统才能导通系统？这是因为当用户连接便携设备充电的同时，通常也需要使用设备。令人尴尬的是，即使是最新型设备也要求约5分钟的初始充电，然后才允许系统启动及使用。如果采用双路径管理（DPM）技术，即可在插入充电线缆时立即导通便携设备。

　　NCP185x系列就应用了这样的即时导通系统技术，由于器件内集成的电流源可为电池充电，即使电池电压非常低，当用户插入电源适配器时，也可使系统电压保持在3.6V，让系统立即开启，无需等待；另外，内部集成的一个5 V升压器支持USB On-The-Go（OTG）反向供电，或用于HDMI接口的DDC电压供电，可以一边安全地给电池充电，一边单独为系统供电，如图3所示。当电池电压达到3.4 V时预充电结束，外部充电MOS管导通，系统电压跟随电池电压。传统充电器在电池电量低时，电池需要预充电一段时间，等待电池电压恢复到最低电压以上才能开机。

　　图3：插入充电线缆时即时导通便携设备

　　安森美半导体的器件还支持死电池激活。当电池电压低于2.2 V时，开关充电器件提供10 mA小电流激活电池。此时系统仍可立即开机。

　　支持USB OTG附件

　　对于平板电脑来说，通常需要支持USB OTG功能。USB OTG附件要求便携设备在USB事务处理中充当USB主机，在VBUS线路上提供5 V输出电压，供外设使用；一些智能手机带有HDMI输出接口，也需要一个5 V DDC电压。这通常要使用外部升压直流-直流（DC-DC）转换器将电池电压升压至5 V、500 mA的稳压电压轨。NCP185x系列器件集成了一个5 V升压器，能支持USB OTG附件或HDMI输出接口，最大提供500 mA电流，并省去了一个外部升压转换器。NCP185x系列接地的ID引脚可以识别USB OTG附件，应用反向升压转换器来提供5 V、500 mA输出，不仅可以支持USB OTG功能，还可以为物料单（BOM）节省1颗额外电感。

　　图4：支持USB OTG功能

　　多管齐下保证设备的安全性

　　另一个电池充电的挑战是要保证设备安全性不受影响。NCP185x系列采用了多种安全措施来实现这一目标，包括正向及负向嵌入式过压保护（OVP）、内部结温传感器及管理，以及外部电池负温度系数（NTC）及JEITA管理，而且可提供事件报告机制，将插入、过压、过热、过冷、充电周期状态、充电开始、充电完成等报告给CPU进行相应处理。

　　独特的正向及负向过压保护可防止新便携设备受到过压的损坏。线缆及充电器都是一般商品，在廉价的零配件市场就可以买到，出现故障的可能性很高。充电源可以是交流适配器（电压达20 V）、计算机USB端口（通常12 V-20 V）、小汽车车载套件（典型值12 V）或卡车（典型值24 V），因此只有强固的正向28 V过压保护才可以保护设备的安全，且在上述所有应用场景下都提供足够的裕量。NCP185x系列可提供+28 V过压保护，可防止充电器故障或热插拔时过高的浪涌电压损坏开关充电器件；此外还有一种情况，在出现插口/连接器故障时，VIN和GND可能反向，NCP1852率先提供了-20 V OVP能力以帮助保护正在充电的手机。

　　NCP185x系列具有电池温度监测功能，可监测4个温度区（根据JEITA规范）：冷＜+5℃，不充电；正常温度+5℃至+45℃，满额充电；热＞45℃，降低充电电流；烫＞65℃，不充电，从而确保电池充电过程不会过热、起火和爆炸。电池温度监测功能是完全可软件编程的。

　　图4：4个温度区的电池温度监测

　　NCP185x系列还可以将充电操作的变化或意料之外的故障报告给外部FLAG引脚，以便中断充电；应用处理器可以通过I2C启动充电控制及充电周期，且配合报告充电事件。

　　宽广阵容的NCP185x系列应对不同需求

　　安森美半导体提供丰富的开关电池充电器件产品阵容来应对便携设备的充电挑战。NCP185x系列目前包括的NCP1850、NCP1851和 NCP1852三款产品都可以满足这一要求，并又各有特色。今后，这系列产品还将增加更多产品，支持更大充电电流，配合用户的更广泛需求。

　　图5：安森美半导体NCP185x系列开关电池充电器产品架构

　　其中，NCP1851是一款低高度、1.6 A、极具创新的开关电池充电器，允许使用功率有限的电源，如标准墙壁充电器和USB；NCP1852是首款带+28V/-20V OVP的1.8A SBC，允许使用高功率墙壁充电器和USB等电源；NCP1850则是带双路径的最小尺寸1.5 A SBC，允许以低系统成本使用标准墙充电器和USB等功率有限的电源。

　　以NCP1851为例，它是一款完全可编程的锂离子开关电池充电器件，可大幅缩短充电时间，延长电池使用时间，并增添了先进的启动功能。该器件集成了动态电源路径管理功能，在电池电量低的情况下能迅速导通系统，对已深度放电的电池充电。该器件的内部结温传感器，以及外部负温度系数热敏电阻通过将专用中断传达给I2C控制总线来确保系统安全充电。NCP1851提供USB OTG模式，无需另一个升压转换器，即可将电源配件插入USB端口。NCP1851提供1.6 A充电能力，尺寸仅为2.2×2.55 mm，用于符合USB标准的最新输入电源及大容量电池，能在90分钟内完成1，650 mAh、4.2 V锂离子电池的完整充电周期。

　　NCP1851与NCP185x系列的其他产品一样，比竞争产品有更高的过压保护能力、更大的充电电流，以及更大的USB OTG反向输入电流能力，支持态路径管理及电池激活功能。这些新器件所具有的快速充电时间性能及先进的功能组合，能以单芯片方案简单地融入到最新USB充电设计中，为提升智能手机、平板电脑及其它手持设备（包括便携医疗产品）的能效，实现这些产品的更高集成度、小型化、易用性、便携性和耐久性提供了完善的解决方案，也使安森美半导体的开关电池充电器件赢得了更多主要客户的青睐和采用。

　　总结：

　　智能手机及平板电脑等便携设备越来越趋向采用更大容量的电池以配合大屏幕背光及多内核处理器工作对电池电量的更高需求。与此同时，用户需要快速的充电时间，且可能在充电时使用设备，还期望延长电池使用寿命及支持USB OTG附件等。安森美半导体的NCP185x系列大电流开关电池充电器帮助设计人员解决这些挑战，不仅更快速高速地充电，还提供丰富保护特性，优化用户体验，帮助设计人员开发出更具竞争力的便携产品。