改进电池充电器IC 推动便携式功能快速增长

作者：Intersil公司Giampaolo Marino和Tamara Schmitz

在全球无线连接的时代，几乎没有什么比保持智能手机或移动互联网设备充满电更加重要。不断改进的便携式和手持式设备的功能扩展给电池充电器IC设计人员带来了一个重大的挑战。高分辨率的屏幕和更大的存储能力，加上电池所需的新的功能，都要求电池充电器的技术不仅更有效率，而且还要具备管理功率分配的能力。

优化功耗来延长电池寿命一直是手持式电源管理的原动力。然而，当手持式设备插入墙壁时，什么样的改变才是效率的期望呢？较新一代设备的设计使用的是高效率的开关充电器，用来取代传统的线性充电器。在为电池充电时，今天的客户不断要求更短的充电时间。除了比传统的线性充电器有更高的效率之外，使用开关充电器解决方案的一个巨大优势是能够提高由电源提供的充电电流。当USB端口断电，可利用的电流可能限制在低于500mA时，这一点尤其重要。充电电流越高，充电时间就越短，因此可以满足客户的期望。

图1. 单节锂离子电池应用的典型充电曲线

目前大多数手持式设备使用着两种电池充电器——线性充电器和开关装置。线性充电器有较长的历史。这类充电器通常提供了一个比较有效的、简单的方法为便携式设备充电，噪声较小，又没有很多外部元件。但是，便携式设备已变得越来越复杂，增加了很多新的功能，所以需要更高的电池容量。很明显，如果用户想要为设备充电，同时又要使用的话，由于功耗的缘故，线性充电器存在着一些问题。在使用的同时进行充电所产生的热量可能损坏系统或电池。这不是一个好结果。

另一种是开关装置，或开关模式电池充电器IC，它能为电池提供更高的电流水平，而需要尽可能少的电力。历史上，这类IC存在一些噪声问题。此外，一些早几代的开关式装置需要若干外部元件。

然而，开关式电池拓扑结构的好处是显而易见的。这些好处包括：更高的效率和更低的功耗，以及快速充电时间。这些装置还能利用较高的输入电压来充电，这样就可以使用成本较低的非稳压适配器。这类装置可以提高来自限流（current restricted）电流源的充电电流。

来自开关充电器的噪声通常源自轻负载运行过程，特别是在预处理过程中。随着噪声的减少，许多开关充电器可进入众所周知的跳脉冲（pulse skipping）运行。在跳脉冲中，PWM频率变为异步。目前已开发的电池充电器IC可提供高充电电流，而对使用开关充电器的系统的热影响较小，然后在低电流充电模式下切换到线性充电器，以尽量减少噪声。具备线性模式的这种类型PWM开关模式充电器已有长足的发展，可以在全恒流（快速充电）率条件下实现高效率。开关充电器可以利用PWM开关稳压器控制大恒流充电（高达2A）。它会自动切换到线性模式，对电池进行预处理，并接近恒压减流充电（taper charge）模式，从而降低噪声，并利用开关模式加快充电。一旦充电电流值低于300mA，线性模式即完全退出，同时限制了开关转换器产生的噪声。

图2. 采用ISL9220充电器IC的单节锂离子电池应用效率曲线实例

但是，现在有了进一步的发展。例如，新型手持式设备的理想解决方案是一个用于单节锂离子/聚合物电池的完整的充电器，其充电电流高达1A，具有先进的显示功能，可实现全程充电系统监控。符合USB标准的100mA/500mA充电电流设置有利于可编程预充电和快速充电。许多产品还包括了电池温度监测功能，以确保安全充电。

Intersil等公司正在领导新一代充电器IC的开发工作。这些完全集成的解决方案适合紧凑的应用，可以实现更高功率的应用的充电控制器。目前，充电电压精度在短短数年前得到了改善，已达到0.5％，当时1％的精度已被认为很好。开关频率可高达3MHz，新的开关充电器现在可以提供高达2A的充电电流，较近的一个例子是ISL9220，它适用于一节和两节锂离子电池的应用。

图3. 用于单节锂离子电池应用的ISL9220典型应用电路

此外，新设计还可以限制泄漏——在没有加上输入功率时，现在流出电池的典型泄漏电流已小于0.5uA。这些改进也可以在越来越小的封装中实现，如4mm×4mm QFN或2mm×2mm CSP，这些封装可以节省空间受限的手持式设备的电路板空间。

较新的电池充电器IC还能够监视输入电压、电池电压和充电电流。当三个参数的任意一个超出特定限额时，该IC就会关闭内部N沟道MOSFET，停止充电系统对电池的充电。利用这些重要的器件可以实现灵活效率的进一步改善，这对移动、手持式设备产品的持续增长和功能集的扩展至关重要。

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