【導(dǎo)讀】電池充放電管理在便攜設(shè)備設(shè)計(jì)的合理性和可靠性方面至關(guān)重要。便攜設(shè)備越來(lái)越趨向采用更大容量的電池以配合大屏幕背光及多內(nèi)核處理器工作對(duì)電池電量的更高需求。安森美半導(dǎo)體新推出了NCP185x系列開關(guān)電池充電方案，幫助設(shè)計(jì)工程師應(yīng)對(duì)便攜設(shè)備大容量電池的快速充電挑戰(zhàn)，并幫助優(yōu)化用戶體驗(yàn)。
便攜設(shè)備電源管理問(wèn)題一直未能得到很好的解決
近年來(lái)，智能手機(jī)、平板電腦等便攜設(shè)備市場(chǎng)強(qiáng)勁發(fā)展，更大尺寸的屏幕日漸流行，消費(fèi)者對(duì)應(yīng)用處理器、圖形處理器及外設(shè)的電源管理體驗(yàn)的要求越來(lái)越高。這些促使便攜設(shè)備采用更大容量的電池，如一些最新智能手機(jī)配備了2000 mAh甚至達(dá)3000 mAh電池，電池生態(tài)系統(tǒng)趨勢(shì)也隨之發(fā)生了重大變化。
此外，許多便攜設(shè)備的輸入連接也從專有方案轉(zhuǎn)為微型USB插口；USB供電(rev 1.0 Jul 2012) 標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，更能適應(yīng)最新的便攜設(shè)備USB端口的供電要求。這些都迫切需要既可提高能效又滿足上述要求的技術(shù)解決方案。安森美半導(dǎo)體新推出了NCP185x系列開關(guān)電池充電方案，幫助設(shè)計(jì)工程師應(yīng)對(duì)便攜設(shè)備大容量電池的快速充電挑戰(zhàn)，并幫助優(yōu)化用戶體驗(yàn)。
采用新穎的自動(dòng)輸入限流器(AICL)技術(shù)實(shí)現(xiàn)更快速充電
電池充放電管理在便攜設(shè)備設(shè)計(jì)的合理性和可靠性方面至關(guān)重要。電池充放電的挑戰(zhàn)之一是需要強(qiáng)固性、高能效及快速充電時(shí)間來(lái)滿足當(dāng)今高性能、空間受限型應(yīng)用的要求。而大容量電池需要更大的充電電流來(lái)縮短充電時(shí)間。
傳統(tǒng)線性電池充電方式(包括脈沖方式)在大電流下存在效率較低、發(fā)熱量大等問(wèn)題。與線性解決方案相比，開關(guān)充電方案有明顯的優(yōu)勢(shì)，如可從輸入轉(zhuǎn)換更多的電能至輸出；工作能效更高，可降低能耗及簡(jiǎn)化手機(jī)設(shè)計(jì)；在輸入源受限時(shí)(如采用5 V，500 mA USB端口充電)，能提供更大的電流。綜合上述優(yōu)勢(shì)，開關(guān)電池充電器件的充電速度可比線性電池充電器快30%。
由于手機(jī)等設(shè)備無(wú)法知道用戶使用的電源適配器或USB端口的負(fù)載電流能力，所以充電管理器件必須具有檢測(cè)適配器或USB端口負(fù)載電流的功能，以確保手機(jī)設(shè)備在安全電流條件下工作。在充電結(jié)束后，充電管理器件應(yīng)斷開與系統(tǒng)的連接，系統(tǒng)從外部電源取電；只有當(dāng)外部電源移出時(shí)，系統(tǒng)才從電池取電。
安森美半導(dǎo)體的NCP185x系列開關(guān)電池充電器件就是一種新的充電技術(shù)。其充電過(guò)程迅速，具有自動(dòng)輸入限流(AICL)功能；在充電結(jié)束時(shí)還可自動(dòng)斷開電池連接，延長(zhǎng)電池壽命。它可以提供更大的輸出電流，效率高達(dá)85％，發(fā)熱量小，實(shí)現(xiàn)更快、更安全高效的充電，有助于提升用戶體驗(yàn)；還可以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
NCP185x系列在輸入源受限的情況下，采用符合100 mA、500 mA、900 mA或1.5 A USB充電規(guī)范的輸入電流限制器，利用自動(dòng)檢測(cè)模式在最大充電電流時(shí)進(jìn)行調(diào)整，使其適應(yīng)輸入源的能力，并可縮短最少達(dá)10分鐘的總體充電時(shí)間。
圖1 利用自動(dòng)輸入限流縮短總體充電時(shí)間
不少用戶經(jīng)常抱怨電池壽命短，許多便攜系統(tǒng)的電池壽命在使用幾個(gè)月后就受到明顯影響，原因是電池在充電結(jié)束后還一直在充電。優(yōu)化電池總體壽命的方法是在充電結(jié)束時(shí)電池連接即自動(dòng)斷開。安森美半導(dǎo)體NCP185x帶有充放電路徑管理功能，可以在系統(tǒng)充電結(jié)束時(shí)自動(dòng)斷開電池連接，系統(tǒng)僅從外部帶有適配器或USB端口取電，僅在出現(xiàn)峰值電流活動(dòng)(大于外部電源適配器所能提供的電流，如使用GSM)時(shí)，才導(dǎo)通電池與系統(tǒng)之間連接，短時(shí)間從系統(tǒng)補(bǔ)充電流，其他時(shí)間電池與系統(tǒng)保持管理。在外部電源連接情況下，系統(tǒng)優(yōu)先從外部適配器取電，以保存電池電量，延長(zhǎng)電池使用時(shí)間，如圖2所示。
圖2 充電結(jié)束時(shí)自動(dòng)斷開電池連接
如果使用不帶充放電路徑管理的器件，充電結(jié)束后，充電模塊關(guān)閉，系統(tǒng)開始從電池取電，電池電壓隨之降低，一旦電壓降低到一個(gè)門限值，充電周期重新開始，使電池經(jīng)常處于充放電、再充電循環(huán)之中，容易造成電池過(guò)早老化。
即時(shí)導(dǎo)通技術(shù)改善用戶體驗(yàn)
電池充電的另一個(gè)挑戰(zhàn)是需要改善用戶體驗(yàn)。用戶時(shí)常有這樣的疑問(wèn)：為什么電池電量低時(shí)我要充電5分鐘后系統(tǒng)才能導(dǎo)通系統(tǒng)？這是因?yàn)楫?dāng)用戶連接便攜設(shè)備充電的同時(shí)，通常也需要使用設(shè)備。令人尷尬的是，即使是最新型設(shè)備也要求約5分鐘的初始充電，然后才允許系統(tǒng)啟動(dòng)及使用。如果采用雙路徑管理(DPM)技術(shù)，即可在插入充電線纜時(shí)立即導(dǎo)通便攜設(shè)備。
NCP185x系列就應(yīng)用了這樣的即時(shí)導(dǎo)通系統(tǒng)技術(shù)，由于器件內(nèi)集成的電流源可為電池充電，即使電池電壓非常低，當(dāng)用戶插入電源適配器時(shí)，也可使系統(tǒng)電壓保持在3.6V，讓系統(tǒng)立即開啟，無(wú)需等待；另外，內(nèi)部集成的一個(gè)5 V升壓器支持USB On-The-Go(OTG)反向供電，或用于HDMI接口的DDC電壓供電，可以一邊安全地給電池充電，一邊單獨(dú)為系統(tǒng)供電，如圖3所示。當(dāng)電池電壓達(dá)到3.4 V時(shí)預(yù)充電結(jié)束，外部充電MOS管導(dǎo)通，系統(tǒng)電壓跟隨電池電壓。傳統(tǒng)充電器在電池電量低時(shí)，電池需要預(yù)充電一段時(shí)間，等待電池電壓恢復(fù)到最低電壓以上才能開機(jī)。
圖3 插入充電線纜時(shí)即時(shí)導(dǎo)通便攜設(shè)備
安森美半導(dǎo)體的器件還支持死電池激活。當(dāng)電池電壓低于2.2 V時(shí)，開關(guān)充電器件提供10 mA小電流激活電池。此時(shí)系統(tǒng)仍可立即開機(jī)。
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支持USB OTG附件
對(duì)于平板電腦來(lái)說(shuō)，通常需要支持USB OTG功能。USB OTG附件要求便攜設(shè)備在USB事務(wù)處理中充當(dāng)USB主機(jī)，在VBUS線路上提供5 V輸出電壓，供外設(shè)使用；一些智能手機(jī)帶有HDMI輸出接口，也需要一個(gè)5 V DDC電壓。這通常要使用外部升壓直流-直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換器將電池電壓升壓至5 V、500 mA的穩(wěn)壓電壓軌。NCP185x系列器件集成了一個(gè)5 V升壓器，能支持USB OTG附件或HDMI輸出接口，最大提供500 mA電流，并省去了一個(gè)外部升壓轉(zhuǎn)換器。NCP185x系列接地的ID引腳可以識(shí)別USB OTG附件，應(yīng)用反向升壓轉(zhuǎn)換器來(lái)提供5 V、500 mA輸出，不僅可以支持USB OTG功能，還可以為物料單(BOM)節(jié)省1顆額外電感。
圖4 支持USB OTG功能
多管齊下保證設(shè)備的安全性
另一個(gè)電池充電的挑戰(zhàn)是要保證設(shè)備安全性不受影響。NCP185x系列采用了多種安全措施來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，包括正向及負(fù)向嵌入式過(guò)壓保護(hù)(OVP)、內(nèi)部結(jié)溫傳感器及管理，以及外部電池負(fù)溫度系數(shù)(NTC)及JEITA管理，而且可提供事件報(bào)告機(jī)制，將插入、過(guò)壓、過(guò)熱、過(guò)冷、充電周期狀態(tài)、充電開始、充電完成等報(bào)告給CPU進(jìn)行相應(yīng)處理。
獨(dú)特的正向及負(fù)向過(guò)壓保護(hù)可防止新便攜設(shè)備受到過(guò)壓的損壞。線纜及充電器都是一般商品，在廉價(jià)的零配件市場(chǎng)就可以買到，出現(xiàn)故障的可能性很高。充電源可以是交流適配器(電壓達(dá)20 V)、計(jì)算機(jī)USB端口(通常12 V-20 V)、小汽車車載套件(典型值12 V)或卡車(典型值24 V)，因此只有強(qiáng)固的正向28 V過(guò)壓保護(hù)才可以保護(hù)設(shè)備的安全，且在上述所有應(yīng)用場(chǎng)景下都提供足夠的裕量。NCP185x系列可提供+28 V過(guò)壓保護(hù)，可防止充電器故障或熱插拔時(shí)過(guò)高的浪涌電壓損壞開關(guān)充電器件；此外還有一種情況，在出現(xiàn)插口/連接器故障時(shí)，VIN和GND可能反向，NCP1852率先提供了-20 V OVP能力以幫助保護(hù)正在充電的手機(jī)。
NCP185x系列具有電池溫度監(jiān)測(cè)功能，可監(jiān)測(cè)4個(gè)溫度區(qū)(根據(jù)JEITA規(guī)范)：冷＜+5℃，不充電；正常溫度+5℃至+45℃，滿額充電；熱＞45℃，降低充電電流；燙＞65℃，不充電，從而確保電池充電過(guò)程不會(huì)過(guò)熱、起火和爆炸。電池溫度監(jiān)測(cè)功能是完全可軟件編程的。
圖5 4個(gè)溫度區(qū)的電池溫度監(jiān)測(cè)
NCP185x系列還可以將充電操作的變化或意料之外的故障報(bào)告給外部FLAG引腳，以便中斷充電；應(yīng)用處理器可以通過(guò)I2C啟動(dòng)充電控制及充電周期，且配合報(bào)告充電事件。
寬廣陣容的NCP185x系列應(yīng)對(duì)不同需求
安森美半導(dǎo)體提供豐富的開關(guān)電池充電器件產(chǎn)品陣容來(lái)應(yīng)對(duì)便攜設(shè)備的充電挑戰(zhàn)。NCP185x系列目前包括的NCP1850、NCP1851和NCP1852三款產(chǎn)品都可以滿足這一要求，并又各有特色。今后，這系列產(chǎn)品還將增加更多產(chǎn)品，支持更大充電電流，配合用戶的更廣泛需求。
圖6 安森美半導(dǎo)體NCP185X系列開關(guān)電池充電器產(chǎn)品架構(gòu)
其中，NCP1851是一款低高度、1.6 A、極具創(chuàng)新的開關(guān)電池充電器，允許使用功率有限的電源，如標(biāo)準(zhǔn)墻壁充電器和USB；NCP1852是首款帶+28V/-20V OVP的1.8A SBC，允許使用高功率墻壁充電器和USB等電源；NCP1850則是帶雙路徑的最小尺寸1.5 A SBC，允許以低系統(tǒng)成本使用標(biāo)準(zhǔn)墻充電器和USB等功率有限的電源。
以NCP1851為例，它是一款完全可編程的鋰離子開關(guān)電池充電器件，可大幅縮短充電時(shí)間，延長(zhǎng)電池使用時(shí)間，并增添了先進(jìn)的啟動(dòng)功能。該器件集成了動(dòng)態(tài)電源路徑管理功能，在電池電量低的情況下能迅速導(dǎo)通系統(tǒng)，對(duì)已深度放電的電池充電。該器件的內(nèi)部結(jié)溫傳感器，以及外部負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻通過(guò)將專用中斷傳達(dá)給I2C控制總線來(lái)確保系統(tǒng)安全充電。NCP1851提供USB OTG模式，無(wú)需另一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器，即可將電源配件插入U(xiǎn)SB端口。NCP1851提供1.6 A充電能力，尺寸僅為2.2×2.55 mm，用于符合USB標(biāo)準(zhǔn)的最新輸入電源及大容量電池，能在90分鐘內(nèi)完成1,650 mAh、4.2 V鋰離子電池的完整充電周期。
NCP1851與NCP185x系列的其他產(chǎn)品一樣，比競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品有更高的過(guò)壓保護(hù)能力、更大的充電電流，以及更大的USB OTG反向輸入電流能力，支持態(tài)路徑管理及電池激活功能。這些新器件所具有的快速充電時(shí)間性能及先進(jìn)的功能組合，能以單芯片方案簡(jiǎn)單地融入到最新USB充電設(shè)計(jì)中，為提升智能手機(jī)、平板電腦及其它手持設(shè)備(包括便攜醫(yī)療產(chǎn)品)的能效，實(shí)現(xiàn)這些產(chǎn)品的更高集成度、小型化、易用性、便攜性和耐久性提供了完善的解決方案，也使安森美半導(dǎo)體的開關(guān)電池充電器件贏得了更多主要客戶的青睞和采用。
