针对手机应用改良电池充电器IC的设计原理

      我们现在处于一个全球无线互联的时代,几乎没有什么比时刻保持手机或移动上网设备处于通电状态来的重要。随着便携式和手持式设备上的功能不断扩展,电池充电器IC的设计人员也面临严峻的考验。高分辨率屏幕,更大的存储能力以及设备上的新功能都增加了电池的负荷,这不仅仅需要更好的电池充电技术,而且还需具备高效的电源管理能力。

  降低功耗以延长电池寿命,这一直是手持式电源管理的源动力。然而,现在消费者对充电器的充电效率也有所期待,希望能够缩短设备的充电时间,新一代的充电器设计采用开关充电器替代传统的线形充电器,除了提供传统线形充电器所拥有的高效率之外,最大的优势就是能提高由电源提供的充电电流。当USB端口断电时,可用的电流被限制在可能不到500mA,而此时,这个优势就显得尤为重要。更高的电流意味着更短的充电时间,这完全符合消费者的需求。

  现在,大多数手持式设备都采用了两种电池充电器,一种是线性充电器,另一种是开关充电器。线性充电器已有较长的历史,充电方式比较简单有效,噪声很小,且没有太多外部元件。但是,随着便携式设备越来越复杂,新功能层出不穷,高容量电池的需求就更加强烈。线形充电器的缺点是功耗太大,特别是在设备边充电边使用的时候尤为明显,此时产生的热量可能损坏系统或电池。

  可供选择的有开关充电器或开关模式电池充电器IC,它可以使用尽可能少的电量,为电池提供更高的电流。从过往经验来看,这类IC一般会存在一些噪声问题。此外,前几代的开关式充电器还需要一些外部元件。

  然而,开关式电池拓扑结构的优势也是显而易见。这些优势包括更高的效率和更低的功耗,还有更短的充电时间。此类装置还能利用较高的输入电压充电,使用成本较低的非稳压适配器。还可以提高来自限流电流源的充电电流。

  开关充电器通常在轻负载运行时会产生噪声,特别是在预处理过程中。随着噪声的减少,开关充电器会进入脉冲跳跃(pulse skipping)模式运行。在脉冲跳跃模式中,PWM频率异步变化。目前开发的电池充电器IC,可以在使用开关充电器时提供高充电电流,且对系统的热影响非常小,而在低电流充电模式下切换到线性充电器,以减少噪声。这种可提供线性模式的PWM开关模式充电器可以在全恒流(快速充电)条件下实现高效率。开关充电器可利用PWM开关稳压器控制高达2A的恒流充电。当电池处于预处理过程以及恒压尖峰(taper)充电模式快结束时,设备会自动转换到线形模式,以降低噪声,并利用开关模式加快充电。一旦充电电流值低于300mA,线性模式会完全启动,开关转换器产生的噪声就会消除。

  但是,现在充电技术有了进一步的发展。例如,一种用于新型手持式设备的单节锂离子/聚合物电池充电器解决方案,它的充电电流高达1A,具备先进的电充满显示功能,可以实现全程充电系统监控。符合USB标准的100mA/500mA充电电流设置有助于实现可编程预充电和快速充电。许多产品还具备电池温度监测功能,以确保安全充电。

  Intersil等公司正在开发新一代充电器IC技术。这些完全集成的解决方案非常适合紧凑型应用,还能为高功率应用提供充电控制功能。目前,充电电压精度能达到0.5%,较前几年的1%有很大改善。开关频率可达3MHz,而且新型开关充电器可提供高达2A的充电电流,最新的一个应用实例是ISL9220,它适用于一节和两节锂离子电池应用。

  另外,新设计还可以限制泄漏,目前在没有加上输入功率时,典型的泄漏电流已低于0.5uA。而且这些改进还可以用于更小的封装,如4mm×4mm QFN或2mm×2mm CSP,以节省手持式设备的设计空间。

  最新的电池充电器IC还能够监视输入电压、电池电压和充电电流。当三个参数中任意一个超出特定限额时,该IC就会关闭内部N沟道MOSFET,使充电系统停止对电池充电。利用这些重要的器件可以灵活地提高效率,这对持续增长、功能不断扩充的移动、手持式产品是至关重要的。

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