在新興便攜式應(yīng)用中集成Li-xx充電管理元件

充電控制中的3“C”
充電控制與管理是所有采用了可充電電池的便攜式設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵功能。先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)需確保滿足以下3項(xiàng)關(guān)鍵要求。
電池安全 (Cell Safety)
此項(xiàng)要求不單單限于滿足電池制造商建議的、在充電最后階段±1%的電壓調(diào)整容限要求，而且還包含了其他功能，如：可安全處理深放電電池的預(yù)處理模式、安全定時(shí)器以及電池溫度監(jiān)控等功能。
容量 (Capacity)
任何充電管理解決方案都需要確保每個(gè)循環(huán)都能把電池充滿。未充滿即提前停止充電會(huì)降低運(yùn)行時(shí)間，不能滿足便攜式設(shè)備對(duì)高電源的要求。
循環(huán)壽命 (Cycle-Life)
與建議的充電算法相關(guān)的一個(gè)重要步驟是，確保最終用戶能夠從每一電池組件獲得最大數(shù)量的充電循環(huán)。最大化循環(huán)壽命的必要步驟包括每次充電都符合電池溫度與電壓要求、預(yù)處理深放電的電池、以及避免延遲或不適當(dāng)終止充電等。

圖1 典型線性充電器

圖2 單芯片 Li-xx 充電器

充電器拓?fù)?BR>當(dāng)今的大多單電池 Li-xx應(yīng)用都采用線性充電拓?fù)?。這種結(jié)構(gòu)具有簡(jiǎn)易性及運(yùn)行成本低等特性。與開(kāi)關(guān)式拓?fù)湎啾?，它還使設(shè)計(jì)人員能夠把充電器放入更小的空間。這種拓?fù)涞囊粋€(gè)副作用是散熱，但是利用先進(jìn)的設(shè)計(jì)及布置技術(shù)可以很好地控制散熱。圖1是典型線性充電器的示意圖。
在該電路中，輸入二極管D1用于在不對(duì)電池充電時(shí)，防止電池的任何泄漏電流流入與電源輸入相連接的負(fù)載。R1是充電控制器的電流反饋單元，用于設(shè)置充電速度。Q1是通路晶體管，用于控制在充電過(guò)程中為電池提供的電流或電壓。最后，充電控制器管理充電的所有方面，并提供表1中所示的所有功能。

充電控制元件的發(fā)展趨勢(shì)
圖1代表市場(chǎng)中的第一代充電控制解決方案。在眾多便攜式應(yīng)用中，這些解決方案具有高可靠性、經(jīng)濟(jì)高效等特性。但是，新興的便攜式產(chǎn)品在提高功能和性能的同時(shí)體積變得更為小巧。因此，OEM 廠商希望縮小包括電池充電管理等的功能電源管理所需要的空間。半導(dǎo)體與封裝技術(shù)的進(jìn)步已經(jīng)使IC公司能夠?yàn)樾乱淮某潆娍刂破骷峁└呒啥燃案呒?jí)功能，同時(shí)最小化電路板空間需求。表2說(shuō)明第一代充電器設(shè)計(jì)中主要元件的典型封裝尺寸(750mA 充電速度)。這些單元總共占用的PCB面積為38mm2。這還不包括元件之間的間隙所需要的面積。
由于在充電控制器中集成了反向阻斷二極管及功率MOSFET等元件，因此第二代充電控制器件適當(dāng)節(jié)省了電路板空間。與第一代解決方案相比，此類解決方案一般可節(jié)省20％~30％的PCB面積。
然而，第三代充電器解決方案在這方面取得了巨大突破。例如，德州儀器推出的最新器件 bqTINYTM可提供高集成度，同時(shí)又可最小化所需的 PCB 面積。bqTINY在僅 3×3mm2 封裝中集成了反向阻斷二極管、電流傳感電阻器、功率MOSFET及充電控制器。所需的電路板面積降低了77％。圖2是第三代充電器的典型示意圖。

集成帶來(lái)的挑戰(zhàn)與優(yōu)勢(shì)
近些年來(lái)，集成已成為降低充電控制器解決方案的主要因素。但是，在給最終用戶提供眾多優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，集成也給半導(dǎo)體設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了諸多挑戰(zhàn)。我們首先來(lái)看一下這些挑戰(zhàn)：
?集成并不是說(shuō)做得少了。高集成度需要切實(shí)滿足并處理本文前面所述的主要充電控制功能。
?上述線性解決方案在充電期間會(huì)散熱。憑借高集成度，全部熱量需在單個(gè)封裝中消散。為解決這個(gè)問(wèn)題需要具備熱特性的新封裝技術(shù)。另外，散熱也會(huì)提高正常工作期間芯片的溫度，這意味著用于電壓調(diào)整的一些高精度電路需要在較大溫度范圍內(nèi)準(zhǔn)確地運(yùn)行。
?安全性是所有充電器設(shè)計(jì)中的主要考慮因素。高集成度會(huì)給充電器帶來(lái)更大的負(fù)擔(dān)，需要其確保在廣泛的條件范圍內(nèi)可靠運(yùn)行，包括短路條件及溫度超限條件。
集成也帶來(lái)眾多優(yōu)勢(shì)：
?前面著重指出的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是降低元件數(shù)與 PCB 面積。在上面所示的例子中，我們可以看出元件數(shù)從4個(gè)降低到了1個(gè)，而 PCB 面積則降低了77％。
?集成還可以大大簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程及最終用戶的元件選擇。這意味著可實(shí)現(xiàn)更短的設(shè)計(jì)周期及在大多應(yīng)用中可一舉成功。
?在單個(gè)器件中集成全部元件還使半導(dǎo)體制造商能夠通過(guò)解決不同元件造成的整體誤差，而更好地優(yōu)化電路的整體性能。
?正確的集成還可以提高整體安全性。在圖1所示的設(shè)計(jì)舉例中，監(jiān)控反向阻斷二極管及通路晶體管的異常情況(例如過(guò)熱或短路)非常困難，而且成本很高。而在集成的解決方案中可以安全、有效地監(jiān)控這些參數(shù)。

結(jié)語(yǔ)
半導(dǎo)體與封裝技術(shù)的最新發(fā)展已經(jīng)使半導(dǎo)體制造商能夠?yàn)樾屡d的便攜式應(yīng)用提供眾多高度集成的充電解決方案。這些解決方案使 OEM 廠商能夠降低設(shè)計(jì)的成本及尺寸，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)工作，同時(shí)獲得眾多安全性及性能優(yōu)勢(shì)。 ■

作者簡(jiǎn)介：Masoud Beheshti，現(xiàn)任 TI 電池管理產(chǎn)品的高級(jí)產(chǎn)品經(jīng)理。他在電源管理與電池管理領(lǐng)域擁有超過(guò)14年的設(shè)計(jì)、產(chǎn)品定義、銷(xiāo)售，以及業(yè)務(wù)管理經(jīng)驗(yàn)。他擁有電氣工程設(shè)計(jì)學(xué)士學(xué)位，以及金融與市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)工商管理碩士學(xué)位。