負載點/電池充電邁向整合　充電系統設計挑戰加劇

事實上，為電池充電這項任務，本來是一件相當簡單的工作，設計者只須考慮獨立式充電器的指定輸入電壓、充電量(Charge Level)及電池組大小等因素，但在充電器漸漸也要肩負對系統負載點供電的設計趨勢下，充電器所扮演的角色，已不如以往單純，設計人員在進行設計時，必須考量到更多新的因素。本文主要探討電池充電器對不具備電池的系統負載進行充電時可能會出現的啟動及運作問題，以及充電器的輸出特性如何與系統的輸入特性相互反應。  

圖1為一個典型的充電器/系統負載架構方塊圖，在所有暫態及上電(Power-up)的情況下，電池都不會對系統供電。這意味著如果設計不當，充電器會在短路時閉鎖。為解決這些設計問題，設計人員必須了解充電器的輸出電源規格及輸入系統的負載需求。

圖1　充電器電源及系統負載示意圖

直接供電架構挑戰眾多  

充電器通常是一種三段式電流供應來源，其操作模式可分為短路(Short Circuit)、預先充電(Pre-charge)及快速充電三種模式。當系統負載大於可用電流時，會造成系統電壓下降，如果可用電流變得更少，甚至會導致充電器進入預先充電模式，然後進入短路模式。另一方面，如果負載電流小於充電器電流，系統電壓便會升高，直到達到4.2伏特為止，然後充電電流會下降到等同於負載電流的程度。  

從電源路徑的角度觀之，鋰離子電池充電器可被視為固定在某一調節電壓的電流供應來源，因為在絕大多數的應用情境中，系統都會裝上電池組以儲存電力，而這些電池組本身可當作大型電容來看待，使得系統能夠在暫態期間維持供電。如果系統負載需求在短時間內超過供電系統原先所設定的電流額定值，電池可緊急補足額外所需的電流。  

但在沒有電池的情況下，一旦系統負載電流超過充電器的供應電流，系統電壓便會迅速下降。若充電器的設計不當，便有可能進入預先充電、甚至短路模式。因此，如果要讓充電器跳過電池，直接對負載點供電，在充電器與系統設計上，最重要的設計目標便是須使充電器能夠持續提供足夠的電流至系統。為了達到這點，充電器的輸出特性必須與系統負載特性相匹配。  

充電器/負載點設計須密切匹配  

由於在直接供電模式下，充電器晶片必須對負載點直接供電，因此兩者間須能緊密配合。以下將以鋰離子電池充電器為例，分析充電器與負載點的幾項關鍵特性，以協助讀者實現完善的充電/供電系統設計。  

圖2顯示與充電器輸出電壓(V_SYS)有關的充電器電流配置。若不使用電池而且充電器也未上電，則電壓最初為0伏特。充電器通電之後，充電器的輸出電壓會因為輸入與輸出間存在一約500歐姆的內部上拉(Pull-up)電阻值而開始上升。

圖2　鋰離子電池充電配置

通常當充電器於1伏特以下的環境進行操作時，會處於短路模式狀態，以將輸出接腳短路期間的功率損耗降至最低。當電壓提高到超過短路臨界值(0.8～1.4V)時，充電器便會進入預先充電模式。預先充電能夠對電量極低的電池進行供電，也能夠檢測電池組是否受損，如果受損，便會中止充電。  

預先充電電流大約是快速充電電流的十分之一，但是某些充電器可以個別設定電流多寡。在預先充電模式下，充電器會以3伏特電壓輸出快速充電恆定電流，其電流大小則視設計人員的設計需求而定，充電器所供應的電流不會超過這個設定的電流量。  

當充電器的輸出電壓持續提升到4.2伏特時，充電器會進入恆定電壓模式，而輸出的電流值則會受到調節。充電器會繼續視情況提供所設定的電流量，直到負載電流降低至終止臨界值為止。此時電池的充電作業便會停止，除非停用終止才會繼續充電。表1列出充電器各階段所供應的電流，以方便進行下一階段系統負載分析。

當系統處於上電期間時，可能會產生與電壓呈等比關係的電阻負載汲入電流(Resistive Load Sinks Current)。設計人員可採用低於125歐姆(I_SINK=1V/125Ohms=8mA)的電阻，以避免充電器在不使用電池的通電情況下結束短路模式。

一般而言，當輸入電壓接近調節後的輸出電壓時，才會啟動直流對直流(DC-DC)降壓轉換器。由於轉換器的輸出電壓固定不變且負載穩定，因此與其輸入電流呈反比關係。圖3中有兩條曲線分別顯示1.8伏特與3.3伏特DC-DC轉換器的輸入電流與輸入電壓的關係，從其中可看出，電壓增加則電流減少，反之亦然。

圖3　DC/DC轉換器輸入電流與輸入電壓的關係。(A)表示有問題的上電順序，(B)則是經過修正的上電順序

一般而言，雖然電容負載會減緩上電速度，但除非是因為預設事件未如期發生而導致重設或進一步負載，否則電容負載並不會造成轉換器輸入端的問題。轉換器輸出端的電容負載可能導致上電時的尖峰電源需求，如果轉換器具有軟啟動(Soft-start)功能，即可降低此電容負載。

脈衝負載會累加到其他靜態負載，而且任何時候都可能發生，因此，在不使用電池進行運作時，設計人員應特別注意不要讓尖峰負載超過可用的充電器供應電流。

動/靜態問題分析不容輕忽  

理解了充電器的輸出特性和負載點所需要的輸入特性後，設計人員須就兩方面進行比較，以決定該如何進行電源子系統的設計。通常有兩種類型的比較應該特別重視，分別是靜態直流電流比較以及即時上電與運作的比較。  

直流電流比較只比較系統負載電流與指定系統電壓下，充電器可提供的供電電流。圖3顯示系統電壓變化時的負載總電流及充電器可用電流。在上電初期，電阻負載電流接近充電器的可用短路電流，因此，設計人員可能會想要確定輸出電壓能夠充電到預先充電區域。  

在預先充電模式中，以1.6伏特輸出電壓啟動1.8伏特轉換器時，總電流會略微高於預先充電電流。其中一種方法是以1.8伏特輸出電壓啟動轉換器，則其中的負載電流會降低，如圖3b所示。同樣地，以2.8伏特輸出電流啟動3.3伏特轉換器時，等到VSYS達到3.1伏特後再開啟轉換器，會促使負載進入快速充電區域，並且避免負載問題。  

分析完靜態問題之後，設計人員還應針對即時上電與運作等動態問題進行測試。即時運作比較有助於了解負載暫態時序，並且可確保尖峰負載不會超過可用的供應電流。  

將系統負載連接到實驗用電源供應，即可進行簡單的測試。首先，將100毫歐姆電阻插入回流中，並且將供電電壓設定為4.2伏特。然後連接示波器探棒(Scope Probe)，如圖4所示，以擷取電壓及電流。最後，針對電壓波形的單一順序啟動及實驗用電源供應的電源進行示波器的設定。透過熱插拔(Hot Plug-in)，即可重複進行這項測試。

圖4　擷取即時運作電流與電壓波形的設置

另外，藉由將電流的觸發值設定為低於充電器電流臨界值，設計人員即可持續進行運作測試，同時使系統以不同的運作模式持續進行運作。透過此一測試，設計人員應可完整地測試完整個系統的運作電壓範圍。如果示波器啟動，請檢查電流脈衝，並判斷是否超過負載。  

避免供電不足為首要設計考量  

如果設計工程師希望充電器可以直接對系統負載進行供電，則最理想的狀況是充電器所輸出的電流永遠超過系統負載電流，以維持穩定運作。在這個模式中，系統電容會充電到調節電壓的程度，而且快速充電電流量會漸減至與系統負載電流量相同的地步。  

只要系統電流小於設定的快速充電電流，系統就會維持在這個穩定狀態模式。如果負載電流超過可用的充電電流，便會進入循環或閉鎖狀態，原因是系統電壓較低的DC-DC轉換器需要較高的電流。如果系統電壓降到使轉換器停止運作的程度，則系統電壓會開始恢復，直到下次的過電流負載出現。如此的循環模式一般稱為間歇模式(Hick-up Mode)。  

列出如表1的表格或畫出如圖3的充電電流曲線，便可定義出系統的絕對負載上限。此外，設計人員應在整個系統電壓範圍內測試過所有的運作模式，並且定義可啟用哪些系統，並找出充電器在哪些情況下，其輸出電流會低於負載上限，造成系統運作不穩定。

為了避免不穩定狀況，設計人員最好規定只有在充電器進入快速充電模式後，才啟用系統，切勿使負載超過可用的最低快速充電電源(例如表1之中快速充電模式的3瓦)。由於充電器輸出電源及系統負載電源都是VSYS的函數，所以比較電源或電流都能夠得到相同的結果。

P_CHGR-OUT = P_DC/DC-IN.
I_CHGR-OUT×V_SYS = I_DC/DC-IN.×V_SYS
I_CHGR-OUT = I_DC/DC-IN.

因此，設計人員應該維持系統電源需求低於充電器電源輸出下限，或維持系統電流需求峰值低於充電器輸出電流，以確保系統持續運作。  

短路/預充電模式常為問題癥結所在  

以轉接器(Adaptor)及電池為電子產品的供電是相當簡單的做法，因為電池可針對隨時可能出現的尖峰負載提供電力的支援。其中唯一的顧慮是，充電器的平均電流會大於平均負載電流，因此電池無法不放電。  

如果想要以不使用電池的方式進行運作，必須特別注意負載電流不可超過充電器供應電流，否則，系統電壓很可能會失效，而陷入低耗電電流的限制狀態中。通常短路模式及預先充電模式很容易發生問題。避免在這些模式中進行滿載運作，即可解決大部分的問題。  

目前市場上已有許多充電器晶片可支援無電池操作，但在實際應用時，設計人員對無電池架構的設計與測試規畫須更為周延，方能提升系統穩定性。  

(本文作者任職於德州儀器)