多种功能的完美结合造就了线性充电器稳健的系统设计

随着便携式设备所处的环境越来越严苛，便携式终端用户将继续面临稳健性及稳定性方面的挑战。某类产品与其他产品的主要区别体现在各种苛刻环境中，设备的稳定性、可靠性以及稳健性的不同。bq2406X  产品系列具有独特的输入过电压保护、散热调节以及 DTC 功能，实现了一款稳健的系统设计。

现代便携式设备相当普及，同时越来越A以及便携式媒体播放器已开始使用锂离子(Li-Ion)电池。此类可充电电池的高需求量促使众多的第三方厂商不断开发出诸如充电座及充电适配器等附件。此类充电适配器虽不昂贵，但其充电特性及保护功能往往与原OEM厂商生产的适配器有所差及可靠性。如果在充电器级的设计过程中谨记以下特性，则可实施一个适用于所有的外部AC适配器的稳健系统：

　　1. 抑制瞬态电压峰值的保护;
　　2. 非稳压适配器的;
　　3. 散热管理及故障保护产品系列的示例，展示了一系列以满足上述要求为目的的线性充电器。

多种多样的AC适配器

当今便携式系统设计方面的主要问题之一在于适应宽输入电源范围的需求，例如AC适配器、USB线缆或车载/空载的直流输出。将适配器以低廉的价格推向市场，取代了昂贵的原始设备制造商(OEM)制造的适配器，从而促进了众多厂商的发展，使可充电便携式设备取得了很大成功。此类最流行的电源，如AC适配器，通常可根据其特性划分为两种：稳压适配器(原厂配件)以及非稳压适配器(普通的配件适配器)。

稳压适配器的输出电压通过内部电路提供非常优良的线路及负载调节。而非稳压适配器所提供的输出电压则取决于负载。线路负载调节能力不强，适配器在过电流状态下的行为也有所差别。稳压适配器在进入过电流区域时通常具有更为陡峭的过渡区(transition region)。

输入瞬变和过电压状态

当今，靠上述适配器供电的便携式设备在设计时必须整合保护功能，将过电压损坏终端设备的风险降到最小。过电压可为两种模式：直流过电压以及瞬变过电压。

通常情况下，直流过电压源于所插入的配件或非标准适配器上错误的输出电压。另一方面，将适配器热插入终端设备时，就会出现瞬变过电压。瞬变过电压可轻松地达到正常适配器输出电压的2倍，如图1所示。



图1：多种功能的完美结合造就了线性充电器稳健的系统设计。

如果设计合理，充电器级可用于将外部电源与电池和系统隔离，如图2所示。在该拓扑结构中，电池组及系统的正极终端被连接至充电器的输出。充电器功率级有效地将外部适配器与系统电源总线隔离。

实施如图2所示的拓扑结构以后就得到了一种稳健的设计，其充电器级整合了输入过电压保护(OVP)功能，以监测输入电压并在探测到直流过电压时关闭充电器级。当充电器级关闭时，系统的电源总线与适配器的输出完全隔离。对于5V的稳压适配器而言，其输入过电压保护阈值通常设定为6.5V。bq2406X系列提供了6.5V及10.5V的选择以适用于稳压和非稳压适配器。


图2：充电器级将外部电源与电池和系统隔离。

为隔离并保护系统和电池免受外部电源瞬变过电压的损害，可以使用具有约2倍于一般适配器额定电压的宽输入电压范围的充电器级。

需要注意的是，在上述所讨论的拓扑结构中，若最小的系统电流(例如待机模式下)高于终止电流阈值，则可能会产生锁死情况。如果系统电流高于终止电流阈值，那么将无法对终止电流进行检测。安全计时器将被激活，充电器级将在电池充至满容量之前就断电。为解决可能发生的该问题，当设备处于高功率模式而电池充电器处于开启模式时，bq2406X系列提供了一个关闭安全计时器以及充电终止功能的选项。

散热管理与故障保护

线性充电器中至系统电源总线的高输入电压差分可导致裸片温度上升，甚至会超过最高的结点温度值并引起热损坏。为避免该问题发生，此类设计必须考虑使用包含了热关断及热调节功能的稳健的散热管理解决方案。

通常，所有集成充电器IC都必须具有内部热关断功能，一旦IC的内部结点温度超过了最高结点温度值，热关断功能将被触发，以确保运行过程中不会发生热损坏。在典型的应用中，当充电电流大约为1A而充电器输入电压高于电池电压2~3V时，热关断功能将被激活。在激活状态下，热关断电路将关闭充电器功率级，以避免热损坏。通常的热关断电路都具有设计上的滞后效应。当IC裸片温度降低时，功率级才重新开启。裸片温度会一直升高，直到热关断电路被再次激活。其散热所维持时间可达数秒，维持时间取决于PCB的布局，该工作模式在以充电状态LED指示时一般被称为“闪烁”(flashing)模式。

为解决此类散热问题，可添加一个散热环路，以降低充电电流并确保IC结点温度低于热关断阈值。为bq2406X系列线性充电器添加了散热环路的运行如图2所示。散热环路在激活状态下可有效降低充电电流，降低充电器级功率MOSFET的功耗。

需要注意的是，具有散热环路的线性充电器在输入电压过高的情况下，充电电流值可降至非常低。在此类情况下，误终止(false termination)可对充电电流是否降至低于终止阈值进行检测。为避免此问题，bq2406X将在散热环路激活时使终止功能关闭。

动态计时器控制

充电安全计数器用于检测故障条件，如果充电周期时长超过正常状态下所期望的总体时间，且充电电流等于额定的快速充电电流，则判断出现故障。在散热环路激活状态下，充电电流降低。若是散热环路在较长一段时间内被激活，那么故障安全计数器的故障状态即可观察得出。为避免错误状态的发生，bq2406X充电器IC激活了动态计时器控制(DTC)，这是一个内置电路，其通过编程调整计时终止输出的时间值来降低安全计数器的时钟效率。DTC电路将在散热环路被激活时同时开启。


图3：散热环路在输入电压瞬变情况下的运行。

散热调节功能以及DTC电路提供了稳健的散热管理及故障保护方法，以保护充电器级和系统免遭瞬变或其他过电压状态所引起的散热故障。

本文小结

此处所讨论的便携式设备在各厂商之间存在着激烈的竞争，并且在不断进行创新，差异化也在加强。随着便携式设备所安置的使用环境越来越严苛(例如，在炎热的夏日将电话放置在汽车内充电，或是插入了廉价的配件或错误的适配器)，终端用户将继续面对在稳健性及稳定性方面便携式设备所带来的挑战。一类产品与其他产品的主要区别体现在出现上述不希望出现的状态时，设备的稳定性、可靠性以及稳健性的不同。bq2406X产品系列具有独特的输入过电压保护、散热调节以及DTC功能，造就了一款稳健的系统设计以解决这些问题。

系统设计工程师的职责就在于将此类因素纳入考虑，以确保其产品更智能、更稳健，以使其产品在众多的产品中独树一帜，而不是“泯然众人”。

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.