拓撲架構挑得好　鋰電池充電器設計沒煩惱

留意鋰電池充電週期

鋰電池需要專用的充電週期才能進行安全充電，並且讓電池達到最大的使用壽命。電池充電分為兩個階段：穩定電流(CC)及穩定電壓(CV)。電池未達到完全充電電壓時，電流會經過調節才流入電池。

在CC模式中，電流會調節為兩個值的其中一個。如果電池電壓相當低，則充電電流會降至預先充電程度，以調節電池並避免電池損壞。這個閥值會隨著化學材料的不同而有所差異，一般是由電池製造商所決定。一旦電池電壓超過預先充電閥值，充電便會增加到快速充電電流程度。

一般電池的建議快速充電電流上限是1C，C是指1小時內耗盡電池電力所需的電流，不過這個電流也是由電池製造商所決定。一般的充電電流約為0.8C，才能使電池達到最大的使用壽命。

圖1　一般的鋰電池充電週期

線性穩壓器/電感切換器各有優劣

有兩種不同的拓撲可用於將轉接器電壓向下轉換為電池電壓，並控制不同的充電階段：線性穩壓器和電感切換器。在尺寸、效率、解決方案成本及電磁波干擾(EMI)輻射量等方面，這兩種拓撲都有各自的優缺點，以下說明這兩種拓撲的優缺點。

電感切換器通常是達到最高效率的最佳選擇。在輸出使用電阻類的感測元件，即可感測充電電流。電流回授可控制充電器處於CC模式時的負載週期。電池電壓感測回授會控制CV模式中的負載週期。其中也可能有其他控制迴路，端視功能集(Feature Set)而定。以下將進一步探討這些迴路。

電感切換器電路需要切換元件、整流器、電感，以及輸入與輸出電容。對於許多應用而言，選擇IC內建切換元件及整流器的裝置，即可縮小解決方案尺寸。這些電路的一般效率可達到80%至96%，端視負載而定。切換轉換器通常由於電感的尺寸而需要較多空間，而且也需較多的成本。切換轉換器也會由於切換而造成電感產生EMI輻射及輸出端出現雜訊。

線性充電器會降低傳輸元件的輸入電壓，將直流電(DC)電壓步降，優點是解決方案只需要三個元件：傳輸元件及輸入/輸出電容。相較於電感切換器，線性低壓降穩壓器(LDO)的成本較低，而且雜訊較少。調節傳輸元件的電阻來限制流入電池的電流，即可控制充電電流。電流回授通常來自充電器IC的輸入。此時會感測電池電壓，以提供CV回授。傳輸元件的電阻會變更，以維持流入IC輸入的穩定電流或穩定電池電壓。裝置的輸入電流等於負載電流，這表示解決方案的效率等於輸出電壓與輸入電壓的比例。

LDO解決方案的缺點是輸入電壓與輸出電壓的比例較高，因此效率不彰(亦即電池電源不足時)，所有的電源都是由傳輸元件所耗用，這表示LDO不適用於輸入輸出差異極大的高充電電流應用。這些高功率應用需要散熱器，因此解決方案尺寸會增加。

計算功耗及溫度上升

可透過公式1計算功耗及溫度上升，其中η是充電器的效率，而且P_OUT=V_OUT×I_OUT。使用熱阻抗可計算得出由於功耗所導致的溫度上升。熱阻抗對於各種應用各不相同，須視電路板配置、氣流及封裝等因素而定。熱阻抗應該以終端應用電路板為依據。必須注意的是，資料表中定義的θ_JA並未確實呈現應用的熱阻抗。

選擇使用何種拓撲

須要先檢視的第一個參數是充電電流。對於小型應用，例如充電電流介於25毫安培(mA)與150毫安培之間的藍牙(Bluetooth)手機，最佳的解決方案是線性充電器。這類應用的尺寸通常相當小，因此沒有多餘的空間能夠容納切換器元件。此外，對於極低功耗需求，可忽略功耗所產生的溫度上升。

對於手機應用而言，充電電流一般介於350～700毫安培的範圍內，在此範圍內，線性解決方案依然可行。這些低成本的手機都有降低成本的壓力，因此線性充電器是理想的解決方案。

由於智慧型手機的電池尺寸逐漸變大，而且充電電流需求可能超過1.5安培(A)，所以切換式解決方案更顯得適用。

1.5安培電流所產生的熱能相當大。例如透過線性充電器從5伏特(V)轉接器將3.6伏特電池充電時，效率為72%。這一開始聽起來不錯，不過，如果從電源耗用的角度來看，如此的應用大約耗用2瓦(W)。

在熱阻抗(Θ_JA)為40℃/W的應用中，晶粒溫度會上升80℃。在40℃環境溫度下，電路板的溫度則會上升至120℃，這對於手持裝置而言是無法接受的溫度。在極低電池電壓亦即3伏特的情況下，問題更加嚴重。而在3伏特的相同條件下，溫度則會上升至120℃。

就相同條件的切換器而言，使用單節電池IC充電器時，效率會提升到大約85%的程度。使用3.6伏特電池時，功耗低於1瓦，溫度會上升至40℃。3伏特所達到的改善效果更為顯著。

假設在3伏特輸出下達到80%的效率，功耗低於800毫瓦(mW)，因此溫度上升幅度較低，大約32℃。這些智慧型手機的尺寸有利於使用較大的解決方案，而且能夠承受切換式解決方案相關的成本增加。

選擇正確的IC

完成初步散熱分析並選擇充電器拓撲後，即可繼續選擇應用最適合的IC。新的電池充電器解決方案整合許多可提升系統的功能，許多電池充電器IC均整合輸入過壓防護、電源路徑管理(PPM)、V_{IN_DPM}、散熱調節、負溫度係數電阻(NTC)監測及USB充電等功能。大多數單節電池充電器解決方案均整合必要的單結型場效應電晶體(FET)，以節省電路板空間。

整合輸入過壓防護(單輸入與雙輸入)

現今市場上的周邊最常用的電源是USB電源，因此從USB電源充電是必備功能。市場已從專用交流電(AC)充電器與個別USB連接器的最初雙輸入，轉變為單輸入解決方案，只要使用USB輸入相同的纜線，透過USB連接器接上牆式轉接器即可，這使得產品不再採用雙輸入解決方案，而直接採用單輸入解決方案。

不過，單輸入也造成許多介面方面的難題。市場上有各式各樣的轉接器解決方案和通用連接器，輸入必須承受更高的電壓而不致損壞。由於電池充電器固定連接於輸入，因此充電器必須能夠保護下游電路，不受過壓狀況的影響。為了達到如此的效用，許多解決方案能夠承受20伏特或甚至30伏特的電壓。此外，這些裝置都有過壓防護(OVP)電路，可因應輸入超過OVP閾值的情況，進一步保護下游電路不致遭受可能發生的暫態過壓(Transient Overvoltage)狀況。

現今環保電源(亦即太陽能電池)或無線充電蔚為風潮，應用再度轉向雙輸入，可依據應用需求提供兩種配置。

提供電源路徑管理/最小系統電壓

傳統的電池充電器都是將系統直接連接電池，讓充電器同時供電給電池和系統(圖2)。供應給系統的總電流會經過調節，這造成許多問題，尤其是低電池啟動、終止干擾及過早計時器結束。電源電路管理可個別監測來自系統電流的電池電流，以解決這些問題(圖3)。以下說明這些問題的解決方式：

圖2　傳統電池充電器拓撲範例

圖3　電源路徑拓撲範例

實作輸入電壓型動態電源管理

為避免輸入來源過載的電壓不足，許多裝置實作輸入電壓型動態電源管理(V_IN-DPM)。此迴圈可降低輸入電流限制，以避免輸入失效。V_IN-DPM迴路可有效調節輸入電壓，使來源的電流達到最大程度。

圖4顯示在不使用V_IN-DPM防護的情況下，造成USB連接埠過載的結果。請注意，輸入電壓低於POWER GOOD閾值時，充電器會關閉，這會關閉來自電源的負載，並允許輸入電壓恢復，以開啟充電器，產生不必要的開關脈衝。

圖4　無VIN-DPM的輸入失效

V_IN-DPM可限制輸入電流以避免脈衝，進而避免輸入電源失效。圖5顯示造成USB連接埠過載的結果。V_IN-DPM功能發揮作用，以降低輸入電流限制，並避免電源失效。

圖5　使用VIN-DPM的輸入過載防護

具備NTC監測功能

充電期間必須監測電池溫度，才能避免電池組損壞，甚至爆裂。一般而言，監測整合於電池組，或系統電路板上靠近電池組的NTC電熱調節器，即可監測電池溫度。許多充電器都有IC整合的NTC監測功能，如果電池溫度上升達到危險的程度，這些IC可監測溫度和停用充電電流。

日本電池溫度標準(JEITA)是新興的電池充電標準，這個標準規範降低充電電壓，或電流的接續溫度，以確保操作安全。這個JEITA標準也可在許多充電器IC中實作。

例如，單輸入的單節鋰電池充電器可整合毋須與任何主機互動的獨立解決方案。對於主機監測NTC的系統而言，許多IC均提供極為簡易的實作。使用提供I²C介面的充電器，允許使用者變更充電電壓及充電電流，主機即可根據電池溫度修改充電參數，這個方法可用來設定不同平台及電池所需的溫度閾值，完全不需要硬體變更。

符合USB充電標準

對於USB充電而言，許多充電器IC均採行USB100及USB500電流限制的標準。以USB充電器輸出驅動所有下游電路，能夠讓設計人員確保不超過USB電流限制。

配備額外電源輸出

隨著USB充電的普遍採用，許多應用都需要USB實體(PHY)或USB收發器列舉主機，因此這些裝置通常直接連接VBUS電源，而且需要過壓防護。許多充電器IC便整合連接電源進行驅動的5伏特LDO，只要連接有效的電源，這個輸出就會運作。5伏特LDO調節電壓可保護USB電路，不受未調節的轉接器和其他過壓狀況所造成的影響。

選擇最符合需求的拓撲

單節鋰電池充電有許多選擇，必須先考量充電電流、可用空間、USB標準相容性、成本和功能集等因素，才能選擇最適合的解決方案。先按照重要性列出需求的先後順序，然後選擇最符合需求的拓撲。務必考量散熱問題，最後選擇對於各個輸出最符合成本效益的解決方案。只要按照這幾個簡單的步驟，就能夠輕鬆進行電池充電器設計。

(本文作者任職於德州儀器)