多功能結(jié)合線性充電器穩(wěn)健的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著便攜式設(shè)備所處的環(huán)境越來越嚴(yán)苛，便攜式終端用戶將繼續(xù)面臨穩(wěn)健性及穩(wěn)定性方面的挑戰(zhàn)。某類產(chǎn)品與其他產(chǎn)品的主要區(qū)別體現(xiàn)在各種苛刻環(huán)境中，設(shè)備的穩(wěn)定性、可靠性以及穩(wěn)健性的不同。bq2406X 產(chǎn)品系列具有獨(dú)特的輸入過電壓保護(hù)、散熱調(diào)節(jié)以及 DTC 功能，實(shí)現(xiàn)了一款穩(wěn)健的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

現(xiàn)代便攜式設(shè)備相當(dāng)普及，同時(shí)越來越A以及便攜式媒體播放器已開始使用鋰離子(Li-Ion)技術(shù)>電池。此類可充電電池的高需求量促使眾多的第三方廠商不斷開發(fā)出諸如充電座及充電適配器等附件。此類充電適配器雖不昂貴，但其充電特性及保護(hù)功能往往與原OEM廠商生產(chǎn)的適配器有所差及可靠性。如果在充電器級(jí)的設(shè)計(jì)過程中謹(jǐn)記以下特性，則可實(shí)施一個(gè)適用于所有的外部AC適配器的穩(wěn)健系統(tǒng)：

1. 抑制瞬態(tài)電壓峰值的保護(hù)；

2. 非穩(wěn)壓適配器的；

3. 散熱管理及故障保護(hù)產(chǎn)品系列的示例，展示了一系列以滿足上述要求為目的的線性充電器。

多種多樣的AC適配器

當(dāng)今便攜式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的主要問題之一在于適應(yīng)寬輸入電源范圍的需求，例如AC適配器、USB線纜或車載/空載的直流輸出。將適配器以低廉的價(jià)格推向市場(chǎng)，取代了昂貴的原始設(shè)備制造商(OEM)制造的適配器，從而促進(jìn)了眾多廠商的發(fā)展，使可充電便攜式設(shè)備取得了很大成功。此類最流行的電源，如AC適配器，通?？筛鶕?jù)其特性劃分為兩種：穩(wěn)壓適配器(原廠配件)以及非穩(wěn)壓適配器(普通的配件適配器)。

穩(wěn)壓適配器的輸出電壓通過內(nèi)部電路提供非常優(yōu)良的線路及負(fù)載調(diào)節(jié)。而非穩(wěn)壓適配器所提供的輸出電壓則取決于負(fù)載。線路負(fù)載調(diào)節(jié)能力不強(qiáng)，適配器在過電流狀態(tài)下的行為也有所差別。穩(wěn)壓適配器在進(jìn)入過電流區(qū)域時(shí)通常具有更為陡峭的過渡區(qū)(transition region)。

輸入瞬變和過電壓狀態(tài)

當(dāng)今，靠上述適配器供電的便攜式設(shè)備在設(shè)計(jì)時(shí)必須整合保護(hù)功能，將過電壓損壞終端設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)降到最小。過電壓可為兩種模式：直流過電壓以及瞬變過電壓。

通常情況下，直流過電壓源于所插入的配件或非標(biāo)準(zhǔn)適配器上錯(cuò)誤的輸出電壓。另一方面，將適配器熱插入終端設(shè)備時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)瞬變過電壓。瞬變過電壓可輕松地達(dá)到正常適配器輸出電壓的2倍，如圖1所示。

如果設(shè)計(jì)合理，充電器級(jí)可用于將外部電源與電池和系統(tǒng)隔離，如圖2所示。在該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，電池組及系統(tǒng)的正極終端被連接至充電器的輸出。充電器功率級(jí)有效地將外部適配器與系統(tǒng)電源總線隔離。

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以后就得到了一種穩(wěn)健的設(shè)計(jì)，其充電器級(jí)整合了輸入過電壓保護(hù)(OVP)功能，以監(jiān)測(cè)輸入電壓并在探測(cè)到直流過電壓時(shí)關(guān)閉充電器級(jí)。當(dāng)充電器級(jí)關(guān)閉時(shí)，系統(tǒng)的電源總線與適配器的輸出完全隔離。對(duì)于5V的穩(wěn)壓適配器而言，其輸入過電壓保護(hù)閾值通常設(shè)定為6.5V。bq2406X系列提供了6.5V及10.5V的選擇以適用于穩(wěn)壓和非穩(wěn)壓適配器。

為隔離并保護(hù)系統(tǒng)和電池免受外部電源瞬變過電壓的損害，可以使用具有約2倍于一般適配器額定電壓的寬輸入電壓范圍的充電器級(jí)。

需要注意的是，在上述所討論的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，若最小的系統(tǒng)電流(例如待機(jī)模式下)高于終止電流閾值，則可能會(huì)產(chǎn)生鎖死情況。如果系統(tǒng)電流高于終止電流閾值，那么將無法對(duì)終止電流進(jìn)行檢測(cè)。安全計(jì)時(shí)器將被激活，充電器級(jí)將在電池充至滿容量之前就斷電。為解決可能發(fā)生的該問題，當(dāng)設(shè)備處于高功率模式而電池充電器處于開啟模式時(shí)，bq2406X系列提供了一個(gè)關(guān)閉安全計(jì)時(shí)器以及充電終止功能的選項(xiàng)。

散熱管理與故障保護(hù)

線性充電器中至系統(tǒng)電源總線的高輸入電壓差分可導(dǎo)致裸片溫度上升，甚至?xí)^最高的結(jié)點(diǎn)溫度值并引起熱損壞。為避免該問題發(fā)生，此類設(shè)計(jì)必須考慮使用包含了熱關(guān)斷及熱調(diào)節(jié)功能的穩(wěn)健的散熱管理解決方案。

通常，所有集成充電器IC都必須具有內(nèi)部熱關(guān)斷功能，一旦IC的內(nèi)部結(jié)點(diǎn)溫度超過了最高結(jié)點(diǎn)溫度值，熱關(guān)斷功能將被觸發(fā)，以確保運(yùn)行過程中不會(huì)發(fā)生熱損壞。在典型的應(yīng)用中，當(dāng)充電電流大約為1A而充電器輸入電壓高于電池電壓2~3V時(shí)，熱關(guān)斷功能將被激活。在激活狀態(tài)下，熱關(guān)斷電路將關(guān)閉充電器功率級(jí)，以避免熱損壞。通常的熱關(guān)斷電路都具有設(shè)計(jì)上的滯后效應(yīng)。當(dāng)IC裸片溫度降低時(shí)，功率級(jí)才重新開啟。裸片溫度會(huì)一直升高，直到熱關(guān)斷電路被再次激活。其散熱所維持時(shí)間可達(dá)數(shù)秒，維持時(shí)間取決于PCB的布局，該工作模式在以充電狀態(tài)LED指示時(shí)一般被稱為“閃爍”(flashing)模式。

為解決此類散熱問題，可添加一個(gè)散熱環(huán)路，以降低充電電流并確保IC結(jié)點(diǎn)溫度低于熱關(guān)斷閾值。為bq2406X系列線性充電器添加了散熱環(huán)路的運(yùn)行如圖2所示。散熱環(huán)路在激活狀態(tài)下可有效降低充電電流，降低充電器級(jí)功率MOSFET的功耗。

需要注意的是，具有散熱環(huán)路的線性充電器在輸入電壓過高的情況下，充電電流值可降至非常低。在此類情況下，誤終止(false termination)可對(duì)充電電流是否降至低于終止閾值進(jìn)行檢測(cè)。為避免此問題，bq2406X將在散熱環(huán)路激活時(shí)使終止功能關(guān)閉。

動(dòng)態(tài)計(jì)時(shí)器控制

充電安全計(jì)數(shù)器用于檢測(cè)故障條件，如果充電周期時(shí)長(zhǎng)超過正常狀態(tài)下所期望的總體時(shí)間，且充電電流等于額定的快速充電電流，則判斷出現(xiàn)故障。在散熱環(huán)路激活狀態(tài)下，充電電流降低。若是散熱環(huán)路在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)被激活，那么故障安全計(jì)數(shù)器的故障狀態(tài)即可觀察得出。為避免錯(cuò)誤狀態(tài)的發(fā)生，bq2406X充電器IC激活了動(dòng)態(tài)計(jì)時(shí)器控制(DTC)，這是一個(gè)內(nèi)置電路，其通過編程調(diào)整計(jì)時(shí)終止輸出的時(shí)間值來降低安全計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘效率。DTC電路將在散熱環(huán)路被激活時(shí)同時(shí)開啟。

散熱環(huán)路在輸入電壓瞬變情況下的運(yùn)行。

散熱調(diào)節(jié)功能以及DTC電路提供了穩(wěn)健的散熱管理及故障保護(hù)方法，以保護(hù)充電器級(jí)和系統(tǒng)免遭瞬變或其他過電壓狀態(tài)所引起的散熱故障。

本文小結(jié)

此處所討論的便攜式設(shè)備在各廠商之間存在著激烈的競(jìng)爭(zhēng)，并且在不斷進(jìn)行創(chuàng)新，差異化也在加強(qiáng)。隨著便攜式設(shè)備所安置的使用環(huán)境越來越嚴(yán)苛(例如，在炎熱的夏日將電話放置在汽車內(nèi)充電，或是插入了廉價(jià)的配件或錯(cuò)誤的適配器)，終端用戶將繼續(xù)面對(duì)在穩(wěn)健性及穩(wěn)定性方面便攜式設(shè)備所帶來的挑戰(zhàn)。一類產(chǎn)品與其他產(chǎn)品的主要區(qū)別體現(xiàn)在出現(xiàn)上述不希望出現(xiàn)的狀態(tài)時(shí)，設(shè)備的穩(wěn)定性、可靠性以及穩(wěn)健性的不同。bq2406X產(chǎn)品系列具有獨(dú)特的輸入過電壓保護(hù)、散熱調(diào)節(jié)以及DTC功能，造就了一款穩(wěn)健的系統(tǒng)設(shè)計(jì)以解決這些問題。系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師的職責(zé)就在于將此類因素納入考慮，以確保其產(chǎn)品更智能、更穩(wěn)健，以使其產(chǎn)品在眾多的產(chǎn)品中獨(dú)樹一幟，而不是“泯然眾人”。