USB技術提升了電子元件的可攜性，不但可促進資料轉換快速進行，且從相同的USB埠充電相關裝置更具方便性，然而，當其用作充電元件電池時，卻對USB帶來某些功率限制。不過，藉由IC中切換及線性電源路徑的充電系統架構，就可提供使用者許多使用優勢，如自主性及完整性的管理各式輸入電源、電池、供電予負載及立即操作能力。
在許多情況下，USB電池充電意味著讓使用者有更高的便利性，但USB相容性卻對USB帶來諸多限制。USB電池充電器必須以盡可能的高效率從USB汲取電源，才能符合今日電源密集應用之嚴苛空間。功率管理則是另一議題，今日許多可攜式電池可透過牆式電源轉接器、汽車電源轉接器、USB埠或鋰離子/聚合物供電，然而，上述電源間自主性管理的電源路徑、負載及電池，都各代表技術的挑戰。傳統上，設計者嘗試透過MOSFET、運算放大器及其他元件執行此功能，但都面臨熱插拔及衝擊電流等可能影響系統的問題，而分離IC的解決方案也要求數個晶片，尋找實用的解決方案。
鋰離子及鋰聚合物電池常見於可攜式產品，因其擁有相對高能源密度，可在指定大小及重量的限制內，提供比其他方案更高的容量。隨著可攜式產品變得複雜，對電池的容量需求也開始增加；基於大的電池需要較高的充電電流與較長時間充飽容量，為了使消費者擁有更短的充電時間，提高充電電流成為技術發展的趨勢。
但提高充電電流卻形成兩個問題，首先以線性充電器而言，增加的電流會帶來額外的功耗，因而降低典型實用「最大值」至2.3瓦。其次，充電器必須限制從5瓦USB匯流排，讓消耗之電流到100毫安培(500毫瓦)或500毫安培(2.5瓦)，主要依據主控制器決定的模式而定。因此高效率充電，加上電池充電器IC高位準之特性整合、及必須節省板面空間，和增加產品可靠性之要求，對電池供電電子元件設計造成極大壓力。總而言之，系統設計者的主要挑戰包含：
隨開即用又能延續電池壽命
PowerPath控制(圖1)能在各式輸入源，如USB、牆式電源轉接器、電池及供電至負載間，自主性及完整的管理電源路徑，且允許終端產品在接電後立即工作，不論電池充電狀況如何，甚至電池不存在，此稱為隨開即用(Instant-on)操作。一個具備PowerPath控制的IC，可從USB VBUS或電源轉接器提供電源予裝置本身，還能將單顆鋰離子/聚合物電池進行充電。
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| 圖1 PowerPath控制電路圖 |
為確保一顆已充飽的電池在匯流排連接後，還能保持滿電的狀態，IC會經由USB排線將電力導至負載，而不是從電池汲取電力。一旦電源被移除，電流將從電池經由一個內部低損耗的理想二極體流至負載，將進行降壓讓功耗減到最低。理想二極體的順向降壓遠比傳統或蕭特基二極體(Schottky Diode)小很多，逆向漏電流也很小，此極小的順向降壓可降低功耗及熱能，延長電池續航力。
電池充電器整合PowerPath控制器及理想二極體元件PowerPath 管理器，能有效管理各式輸入電源、充電電池、供電負載，並降低功耗。PowerPath控制電路可用於線性及切換架構，兩者均對系統帶來許多優點，接下來深入討論以上架構，並以傳統線性充電器饋送(Charger-fed)系統(表1)進行效能比較。
| 表1 電池饋電之優缺點 |
| 優點 |
缺點 |
| 小型、低元件數 |
電池故障或遺失時，系統無法運作 |
| 價格經濟 |
效率低(VBAT/VIN) |
| 簡單 |
USB充電電流限制為500毫安培 |
| 從電池供電時無額外損耗 |
熱耗問題 |
線性系統電量負載佳可隨機充電
第一代USB系統應用是直接在USB埠及電池間建置限流電池充電器，其透過電池電壓供電給系統，此電池饋送系統中(圖2)，可利用的系統電源表示成：IUSB×VBAT，因為VBAT是系統負載的唯一可用電壓，輸入電流約等於充電電流，因此不需額外輸入限流；此外，系統負載直接連接至電池，因此也不需理想二極體。但缺點是效率低、USB充電電流限制在50毫安培，當電池故障或遺失、或當電池電壓處於低電位時，將出現無法為系統供電，及近一半可用電源，會消耗在線性電池充電器元件上。
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| 圖2 電池饋電控制電路圖 |
第二代USB充電系統在USB埠及電池間發展出一個中間電壓。此中間匯流排電壓架構即指PowerPath系統。在PowerPath IC中，限流開關會被安置於USB埠及中間電壓V
OUT，V
OUT將供電給線性電池充電器及系統負載，其優點是電池由系統負載分離出，機動性執行充電(圖3)。PowerPath系統同樣代表隨開即用操作，因為中間電壓可提供系統負載使用，只要電源適用電路不論充電電池狀態如何，都能允許上電後的立即操作。
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| 圖3 線性PowerPath電路圖 |
在線性PowerPath系統(表2)中，只要輸入限流不被超越，系統負載將可從USB埠得到更多2.5瓦功率，因此一個線性PowerPath系統可對電池饋電系統提供許多優點，但當電池的處於低電壓時，大量電源仍會在電池充電器元件中損耗。請注意，針對分開的牆式轉接器或高壓輸入路徑，相關調節是可行的；而可自由選擇的外部PFET，也能夠降低理想二極體之阻抗，達到高效率操作。
| 表2 線性PowerPath電路之優缺點 |
| 優點 |
缺點 |
| 只要有輸入供應，即可為供電系統(即使電池故障或遺失) |
透過USB系統供電超過2.5瓦時效率低 |
| 相較於充電器饋送，可更有效率地運用2.5瓦USB供電 |
線性充電器仍會造成生熱耗問題 |
| 可以USB或牆式電源轉接器輕易地調整不同充電率 |
USB充電電流限制於50毫安培 |
| HV降壓適配輸出控制，可從HV供應有效率地充電 |
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切換式系統耗電低最省電
目前已研發出新一代的USB充電系統，其具備切換模式架構(表3)，此類型的PowerPath元件從USB相容降壓切換穩壓器時，會產生中間匯流排電壓，然後被調節成電池電壓固定值(圖4)。上述配適型的輸出控制稱為Bat-Track，其被調控的中間電壓，將高至能夠透過線性充電器適當充電，並透過此方式追蹤電池電壓，由蓄電池充電器損耗的電源將可減至最低，同時將效率及負載可用電源達到最高。此開關平均輸入限流，能將運用USB供電的所有2.5瓦能力達到最高。選配式的外部PFET則可降低理想二極體的阻抗，這個架構對於1.5.AHr的大電池系統是必要的，隨開即用操作特性也如線性PowerPath配置。
| 表3 切換式PowerPath電路之優缺點 |
| 優點 |
缺點 |
| 只要輸入供電存在，即可為系統供電(即使電池故障或遺失) |
目前無法以牆式電源轉接器或HV降壓驅動輸出 |
可更有效率地運用2.5瓦USB供電
(尤其是系統供電超過2.5瓦或低BAT時) |
最昂貴的解決方案 |
| 具備任何USB電源管理器之最佳散熱效能 |
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| USB充電電流不限於500毫安培(限制約2.3瓦) |
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| 圖4 切換式PowerPath電路圖 |
電池供電產品的設計者，目前都面臨小尺寸、便利、快速充電、低功耗、USB相容性需求等眾多挑戰，因此相關設計須加以整合，以達到節省板面空間、降低製造成本及增加產品可靠性。
(本文作者任職於凌力爾特)