越来越智能的电池充电器芯片

2008-12-30 13:32:32来源: 电子工程专辑 关键字:电源管理  充电器

      电池寿命无疑是目前许多便携电子产品中最重要的特性。虽然许多便携式电子行业已经广泛采用锂离子电池,因为这种电池具有容量大、尺寸小、重量轻和可靠耐用的特点,但对电池充电器芯片还没有达成一个同样统一的意见。

      作为控制锂离子充电状态的功率器件,电池充电器芯片在便携式系统设计中扮演着重要的角色。然而,设计师们还在使用着从较老并且相对粗糙和低成本的充电器件、到较新的更复杂芯片等各种各样的器件,而后者集成了越来越复杂的智能,可以延长电池寿命,保护被充电系统不受损害。

安全第一

      便携式系统设计师面临的挑战是:如何快速高效地对系统进行充电,同时不影响用户安全或损坏电池,并且要占用最少的电路板面积。锂离子充电器通常采用三种充电模式来最大化充电效率并确保用户安全性。深度放电的电池必须先用较小的电流进行逐步预充电,将电池电压慢慢提升到安全阀值之上。

      就拿工作电压范围是2.8V到4.2V的单节锂离子电池充电器来说,它通常会测量被充电池的电压,当电池电压低于3V时,它将进入预充或“慢充”模式。慢充模式可以在电池内阻很低时防止对电池高速充电,从而尽量减少发热。一般预充期间的充电速率约是全速充电时的10%。

图1:Microchip科技公司的MCP73837双输入锂离子/聚合物充电器具有电源选择功能,可以自动选择从交流或USB源进行充电。

      一旦电池达到最小电压值,充电器就切换到恒流或快充模式,此时将对电池全速充电,直到电池达到接近满充电压的第二个阀值。随后充电器将进入恒压模式,此时电池电压保持不变,从而让充电电流逐渐停止。当充电电流小于预设的终止阀值时,恒压充电模式也就结束了。

      热管理是电池充电器设计师面临的另一大挑战。每个充电器芯片都会在充电过程中经历由于散热引起的电压下降。为了避免电池损坏或系统关断,大多数充电器都集成了某种形式的控制机制来管理热量累积。较老的充电器芯片常采用“非彼即此”的方法来解决过热或过流问题——当热量达到预设的门限时它们将简单地中断充电过程。较新的器件则采用更复杂的反馈技术连续监视裸片温度,并以正比于环境温度变化的速率动态或通过计算调整充电电流。这种内置智能允许当前的充电器芯片逐渐减少充电电流,直到达到热平衡,裸片温度停止上升。这种技术能让充电器以最大可能的电流对电池进行连续充电,同时不会导致系统关断,从而缩短电池充电时间。

      MAX8804是美信集成产品公司去年7月份推出的充电器芯片,它采用了专门的热调整电路,可以在快速充电阶段或系统处于高温环境中限制裸片的温度。该充电器耐受30V的直流输入电压,只占用6平方毫米的电路板面积。另外,像TI公司提供的1A bq24060充电器可提供热过载保护功能,允许器件在环境温度很高的恶劣环境中连续运行,例如夏天的汽车或不小心连接到具有较高输入电压的其它适配器。目前大多数较新的器件一般还会增加过压保护机制。

多种电压源

      有个越来越常见的要求是从不同电压源给电池充电,要点是在不使电压源过载的情况下提供这个功能。可以通过在输入条件改变时动态调整充电电流实现这一功能。

      举例来说,移动用户经常没有时间去找交流电插座来给他们的设备充电,相反,他们希望通过大多数电子设备上都有的众多USB端口来给他们的电池充电,包括其它电池供电的设备,如笔记本电脑。因此,目前市场上的许多充电器芯片支持从交流和USB输入口给单节锂电池充电。此时的挑战是补偿USB端口提供的不断变化的功率电平。随着负载的变化,系统必须控制恒定的充电电流值以确保USB端口的正常操作。

      一些充电器芯片利用简单的双重方法支持USB操作,该方法使用两个预设的充电电流值(通常是500mA和100mA)来支持USB端口允许的最大电流或必要时的最小电流以确保端口的完整性。通常这要求接口逻辑嵌入在充电器芯片中,以便系统微控制器能够连续读取USB端口的状态,并指示充电器从一个充电电流切换到另一个充电电流。

      最近,有些充电器芯片制造商已经开发出能够自动检测USB端口的可用功率、并据此调整充电电流来最大化充电效率的芯片。另外,许多充电器芯片不需要用户干涉,就能够自动检测电源类型并调整它们的充电过程。

      当凌力尔特公司的LTC4075充电器芯片检测到输入端电源时,它能自动选择合适的电源进行充电,同时不需要外接MOSFET、检测电阻或阻流二极管。

      Microchip Technology公司提供的MCP73837也能提供类似自动的电源选择功能。

采用双节电池

      随着便携式系统设计复杂性的提高,它们使用的子系统、显示器和处理器的数量与类型也越来越多,单节锂离子电池已经无法满足系统需要。因此,一些便携式媒体播放器、高性能SLR型数码相机和GPS导航系统都开始采用串联的两节锂离子电池供电。这些便携式产品一般要求输入在8.4V和8.8V之间进行充电。设计师以前都是使用分立器件实现这种设计,但支持这个要求的新一代充电器芯片已经开始上市。

      具有代表性的例子是AT3663,这是Advanced Analogic Technologies公司(AnalogicTech)提供的1A线性电池充电器系列芯片的第一个产品,可以用来给最多两节串联的锂离子电池充电。AT3663采用该制造商的专有模块化BCD工艺技术制造。这种工艺集成了完全隔离的CMOS和高速互补双极晶体管以及30V DMOS功率器件,没有采用复杂而且昂贵的外延附生或高温扩散技术。

      上述新工艺允许AAT3663支持从4V到13.2V的输入电压,因此设计师可以自由使用较低成本的非稳压适配器。

图2:AnalogicTech公司的AAT3663可以工作在4V到13.2V的宽输入电压范围,可以用来给最多两节串联的锂离子充电。该充电芯片采用专有的双极/CMOS/DMOS工艺制造。

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编辑:王程光 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/2008/1230/article_959.html
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