因應通用電源介面衝擊　鋰電池充電管理求新求變

諸如手機、媒體播放器或全球衛星定位系統(GPS)等可攜式終端設備通常都附帶一個已知電源電壓和電流特性的專用電源，而且通常具有一個專用插頭。這樣做的目的是避免消費者使用非許可電源或反向連接電源。目前，在更高效能需求的推動下，消費者和標準組織都要求制定通用電源介面，旨在讓不同廠商的終端設備都能夠使用標準化的交流對直流(AC-DC)轉接器或通用序列匯流排(USB)連接充電。  

以上的要求給電源設計工程師帶來了一個巨大的挑戰，因為這麼一來將由消費者來控制插入設備的電源。所以，必須在充電器電路前面增加保護電路，以保護系統免受過電壓和過電流情況的損壞，同時避免對終端設備帶來嚴重的破壞。更重要的是，要消除可能會給終端用戶帶來的安全風險。由於這種保護電路須要防止「大量未知情況」的發生，因此它必須保證設備在規定限制範圍內能夠提供充電功能，還要涵蓋各種輸入電源狀態。  

一些實際的應用例子是，符合中國大陸通用標準充電器規範的USB充電，以及透過低成本、未調節牆上電源進行的充電。這些都可能會出現10伏特(V)以上的暫時性開路電壓，而且要求充電管理系統仍然充電至該閥值。這就讓輸入和輸出保護電路必須滿足一些特定的要求。  

在可接受的電路板空間和成本限制條件下，保護解決方案的輸入須要承受盡可能高度的電壓。它要在規定操作環境下通過電力，並在預計過壓保護閥值(OVP)以上阻斷電力，同時不損壞設備。在解決方案的最大絕對額定值以上，它須要中斷「開路」來避免潛在有害過電流進入系統。不管是電池供電還是直接由交流電(AC)轉接器供電，輸出都必須保證電壓電平不超出子系統的規範。電壓調節和處理等子系統因使用對過電壓敏感的高性價、低壓製程技術，因此往往無法承受高壓的輸入暫態。  

從安全性和符合規範的角度來看，過電流保護和電流限制的作法都是值得的，其目的是不超出剛通電時的浪湧電流極限或不超過最大USB電流規範。  

圖1描述了一個單一單元鋰離子電池系統中充電器子系統輸入保護的兩種情況。在情況A中，充電功能主要由整合於一個低壓電源管理單元中的軟體控制充電電路來實現。這些通常是無線手持設備、GPS導航系統或藍牙耳機的高度整合晶片組中的組成部分。這種情況下，一個單獨的過壓和過電流保護IC對於增加必要的保護功能是非常有意義的。

圖1　輸入保護和充電管理的系統拓撲

在情況B中，充電功能由一個專用獨立充電器IC來實現，它對電池充電和動態電源路徑控制進行管理，以保證系統正常工作，即使是在使用有缺陷、完全放電的電池組或電池組被移除的情況下，也能正常工作。為了讓充電控制相關軟體的開發工作負擔降到最低，系統工程師可能會選擇這種配置。  

此外，設計人員可能還想要保護系統，以免受鎖定微控制器帶來的意外、潛在非安全充電行為的損害。在這種應用情況下，在充電器IC中整合過電壓保護和電流限制功能是很合理的。  

情況A：類比基頻的系統保護  

為了滿足今日類比基頻所需的整合度與可接受的成本範圍，通常使用基於互補式金屬氧化物半導體(CMOS)技術的IC製程，其電壓承受範圍為4.5～6伏特。更低的半導體製程電壓一般意味著晶片上的電晶體及二極體等功率元件具有更高的數位集積度和更小的矽晶片尺寸。這便帶來更小的裸片尺寸和封裝，從而獲得更低的總系統成本。但是，其通常還伴隨著對過電壓及過載電性(Electrical Over Stress, EOS)更敏感的特性。  

也就是說，保護解決方案的輸出必須保證在任何輸入環境下都不超出這個電平，包括靜態DC操作電平和暫態條件。理想情況下，它調節輸出到某個預設限制，同時在不會損壞的情況下接受一個比較寬的輸入範圍。在情況A中，假設基頻IC和線性穩壓器(LDO)和DC-DC開關式電源轉換器等其他子系統元件可以承受約6伏特的絕對最大電壓。因此，保護IC的輸出被調節到額定5.5伏特，以容許暫態回應時間帶來的調節容差。  

該保護電路輸入兼顧「正常使用」環境、充電時正常操作期間出現的可承受暫態條件，以及系統需要徹底保護的異常暫態。  

現在十分流行透過USB電源來充電。其中，USB 2.0規範規定額定V_BUS工作電壓為5伏特，最小電壓為4.75伏特，而最大電壓為5.25伏特。這些電源可能是符合USB規範的電腦USB埠或USB集線器。但是，它們也可以從一個調節過的AC-DC牆上轉接器獲得電源，這些轉換器會「模仿」USB埠的電源行為。這裡的正常使用環境是指5伏特額定電壓。  

但是，新興的中國大陸通用標準充電轉接器規範打算簡化USB埠和轉接器供電終端設備的電源使用，其要求在高達6伏特的V_BUS電源暫態期間也要不間斷充電，而該電壓超出了類比基頻的額定電壓，並且會導致設備損壞。就這類應用而言，建議使用5.85伏特的輸入OVP電平，超出該電平時保護電路便會切斷系統的電源。如果在該輸入OVP閥值以下，輸出就會被調節到安全的5.5伏特。也就是說，達到OVP電平的運行是理想的，並被視作可接受的暫態環境。OVP電平以上的暫態環境被視作異常，須要對系統進行隔離，這時系統必須工作在保護模式下。  

高階的整合保護電路可以承受高達30伏特的過壓，並能從這種狀態下恢復正常。超出此一電平時，可增加如齊納二極管(Zenor Diodes)等附加電路來對30伏特電平以上的OVP IC進行保護。  

圖2　保護電路10.5伏特OVP的輸入和輸出情況，以及5.5伏特的輸出穩壓。

在0伏特到欠壓鎖定(UVLO)電平(IC工作電平)的輸入電壓情況下，保護電路的輸出保持在0伏特。當輸入電壓低於調節電壓V_O(REG)但高於V_UVLO時，輸出電壓與輸入電壓會維持一個壓降差，這個壓降是由保護電路的保護用FET的R_DS(on)帶來的。輸入電壓在_O(REG)和V_OVP之間時(亦即容許暫態條件閥值)，輸出被穩壓到5.5伏特。如果輸入電壓上升至V_OVP以上，則保護用FET Q1被關閉，從而去除輸出電源。其回應必須迅速，FET須在一微秒(μs)之內關閉。這種狀態透過一個FAULT訊號發送至主機系統。當輸入電壓返回到V_OVP減去滯後電壓V_hys(OVP)之後仍高於V_UVLO的電壓時，保護用FET在一個t_ON(OVP)抗尖峰脈衝時間後再次開啟，以保證輸入電源已穩定。  

此解決方案的過電流保護(OCP)閥值可以透過一個電阻器來實現可編程，以達到易用性。如果負載電流將要超出I_OCP閥值，則裝置在t_BLANK(OCP)消隱期間會對電流進行限制。如果負載電流在t_BLANK(OCP)時間結束之前返回至I_OCP以下，則該解決方案會繼續工作。但如果過電流狀態持續處在t_BLANK(OCP)，則Q1會關閉一段時間(即t_REC(OCP)的恢復時間)，同時發送一個故障訊號。FET在恢復時間之後再次開啟，並且電流再次受到全程監控。一旦OCP故障出現，內部計算器便遞增。如果一個充電週期內出現幾個OCP故障，則FET就會被永久關閉。透過取下並重新接通輸入電源或重啟裝置，可以歸零計算器。為了防止輸入電壓出現因輸入線纜電感引起的尖峰上升，Q1會慢慢關閉，以實現「軟關機」。此外，也可以實施一種更嚴格的電池過壓保護，其對每個電池過壓事件均發送故障訊號。  

情況B：整合保護和充電功能  

在一個單獨IC中考慮充電器功能的情況下，應該建置類似的過壓保護和電流限制功能，以保護系統免受DC電源線上過壓峰值的損害，同時允許使用低成本、未穩壓的牆上電源。充電IC還必須在不超出子系統限制的條件下正確地進行輸出電壓的穩壓操作。另外，充電器解決方案現在須要對許多功能進行管理，例如USB電流限制和電源路徑管理等，以保證符合標準和在所有工作條件下的系統啟動。圖3顯示了一個具有整合OVP和輸入電流限制的USB標準充電建置作法。

圖3　具備動態電源路徑管理功能的線性、USB標準充電器

當今的一些先進解決方案，能夠在為電池充電的期間也同時且個別地為系統供電。這就減少了電池的充放電週期數，實現了正確的充電終止，並使系統能夠運行在缺陷或無電池組的情況下，例如生產測試環境等。它甚至還允許在電池完全放電的情況下即時開啟系統。輸入電流監控和限制是達到USB標準的關鍵。  

在許多應用情況中，對電池充電和運行系統的輸入電源可以是一個AC-DC轉接器，也可以是一個USB埠。動態電源路徑管理(DPPM)在系統和電池充電之間共用電源電流，並在系統負載上升時自動減少充電電流。透過USB埠充電時，如果輸入電壓降至防止USB埠崩潰的閾值以下，則基於輸入電壓的動態電源管理(IDPM)便減少輸入電流。當轉接器無法提供峰值系統電流時，電源路徑架構還允許電池補償這類系統電流要求。標準的作法是使用恆流、恆壓(CCCV)充電方案和利用預充電和合乎溫度要求的電池預調節功能。  

輸入電壓保護做把關  

與單獨保護解決方案類似，充電器應防止出現過高輸入電壓所造成的損壞。當輸入電壓高於V_OVP的持續時間超過抗尖峰脈衝時間時，OVP便關閉輸出穩壓，並中斷充電。在OVP時，系統輸出(OUT)被連接至電池，且充電器發送一個不良的輸入電源訊號。一旦OVP條件消失，一個新的供電序列便開始，同時充電器被重新啟動。  

動態電源路徑管理應運而生  

在一些具有電源路徑管理的系統中，充電器擁有為外部負載供電的輸出。這種系統不直接連接至電池，這是很重要的一點。只要電源連接至充電器輸入(IN)或電池輸入(BAT)，則該輸出便有效。  

當系統連接到AC-DC轉接器或USB埠等電源，DPPM電路會持續監控輸入電流。充電器輸出可被調節到比BAT電壓高出200毫伏特(mV)。當BAT電壓降至3.2伏特以下時，OUT被箝位控制至3.4伏特。因此，即使是在電池放電的情況下，也可以獲得正確的系統負載啟動。流入IN的電流在OUT下對電池充電並為系統供電。  

為了涵蓋各種應用，充電電路必須具有100毫安培(mA)(USB 100)和500毫安培(USB 500)的可選電流限制，以通過USB埠進行充電，同時還要有一個調節不同AC-DC轉接器的電阻器可程式輸入電流限制。輸入電流限制選擇由EN1和EN2接腳的狀態來控制。使用電阻器可程式電流限制時，輸入電流限制由連接ILIM接腳到VSS的電阻器值設定。當連接IN電源時，優先考慮系統負載。DPPM和電池補償模式均用於維持系統負載。圖4描述了DPPM和補償模式的例子。

圖4　DPPM和電池補償模式(VOREG=VBAT+225mV，VBAT=3.6V)

基於輸入電壓的DPM(IDPM)可用於電流限制USB埠運行。當EN1和EN2針對USB 100或USB 500模式配置時，輸入電壓得到監控。如果VIN降至某個特定的輸入電壓閥值，則減小輸入電流限制來阻止輸入電壓進一步降低。這樣做可以防止充電器電路破壞設計不當或錯誤配置的USB電源。當充電電流和系統負載電流的總和超出由EN1、EN2和ILIM設定的最大輸入電流時，OUT電壓就會下降。一旦OUT接腳的電壓降至DPPM閥值以下，充電電流就會隨著OUT電流增加而減小，以維持系統的輸出。  

當沒有電源連接至IN輸入時，OUT完全透過電池驅動。在該模式下，流入OUT的電流未得到調節。但是，須要開啟短路電路來防止系統造成充電器的超載。  

動態輸入管理/電源路徑管理當紅  

鋰離子化學電池在消費類應用中的使用已為人們所熟知。許多充電解決方案不僅僅是對恆壓和恆流充電進行管理，當今的充電管理電路須要面對為數眾多的保護功能：從輸入過壓及過電流到電池過電壓。為了保證符合各種電源介面和充電標準，並實現電子設備在各種電池應用環境下的使用，擁有動態輸入管理和電源路徑管理功能是必需的。  

(本文作者任職於德州儀器)