2010年筆記型電腦出貨量已超越桌上型電腦，開始成為個人電腦主流，同時各式低價小型可攜式運算裝置正逐漸普及，並廣為使用者接受。易網機(Netbook)是輕巧低價且普及速度相當快的一種筆記型電腦，主要用於一般運算及存取網路應用，由於採用較小的螢幕及鍵盤，因此縮減了規格與運算電源。大多數易網機都使用英特爾(Intel)的凌動(Atom)處理器，並使用兩到三顆鋰離子電池串聯成電池組。
超級行動電腦(UMPC)採用功能強大的處理器，並支援最新的連線標準，搭配4～7吋的顯示器及觸控功能，整台機器重量不到2磅，卻可執行所有與微軟(Microsoft)Windows作業系統相容的軟體。超級行動電腦也可做為全球衛星定位系統(GPS)裝置、網路攝影機、指紋讀取器、立體聲喇叭、電視調頻器及記憶卡讀卡機等，並同樣使用兩到三顆鋰離子電池串聯成電池組進行供電。
而行動聯網裝置(MID)則是具備多媒體功能的手持式電腦，可存取無線網路。這類裝置的設計都是針對個人提供娛樂、資訊及定位服務，而非用於企業用途，且能進行雙向通訊與即時分享。MID比智慧型手機大，但比UMPC小，通常使用一顆鋰離子電池。
電流調節精準度決定充電品質優劣
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| 圖1 電池充電電壓、週期壽命及電池容量三者之間的關係 |
對電池壽命及電池容量而言，電池充電電壓及電流相當重要，電池充電電壓愈高，電池容量愈大(圖1)。相較於4.2伏特(V)，4.3伏特能夠使電池多出10%的初始容量，然而電池電壓較高會導致電池劣化，因此經過兩百次循環週期之後，電池容量就會降低。
另外，相較於高充電電壓，低充電電壓能夠減緩電池劣化，因此可將電池充電電壓設定為低電壓如4.1伏特，以達到最大電池週期壽命，不過這會減少如備分應用等所需的電量。當電池充電器的充電電壓容差為2%，電池便可能出現充電至4.284伏特的過度充電狀態，或出現充電至4.116伏特的未充分充電狀態，而電池減少的容量為10%。因此，對於提升安全性及達到最大電池容量而言，高電壓調節精準度相當重要。
由於這些可攜式裝置採用低功耗的微處理器，因此整體電源需求低於筆記型電腦。其中使用的轉接器電源一般低於40瓦(W)，而筆記型電腦通常使用60瓦及90瓦的轉接器。不過，這些可攜式裝置仍需要轉接器來驅動系統，同時進行電池充電，才能將轉接器額定功率降至最低。由於微處理器的電源為高脈衝電源，電池充電及提供微處理器最大電源所需的總電量會超出轉接器可提供的最大電量，因此，必須重新設計轉接器，以供應充電器及系統的最大電源，不過這會增加成本。
為了最佳化系統及電池充電器，可運用動態電源管理(DPM)，導入最大轉接器電流調節迴路。如果輸入轉接器電流達到調節閥值，電池充電器會自動減少有效充電電流，同時優先供電給系統，以免超出轉接器的電源上限。優先供電給系統之後，剩餘的電源會用於電池充電。一旦脈衝電源通過，充電器便會自動恢復最快速充電模式，以縮短充電時間(圖2)。輸入電流調節精準度是其中一項重要的規格，輸入電流調節精準度愈高，轉接器可提供的電源愈多，而且電池充電的速度愈快。
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| 圖2 動態電源管理的電池充電示意圖 |
相關標準規範電池充電安全性
筆記型電腦通常使用19伏特及16伏特轉接器，而智慧型手機多使用5伏特轉接器，易網機、UMPC及MID則常使用這些轉接器來降低開發成本，不過這些裝置通常不須要用到19伏特的電壓來對由一至三顆電池所串聯的電池組進行充電，至少不會因使用這些轉接器而使系統受損。另外，IEEE P1725標準要求系統包含輸入轉接器及電池過壓保護(OVP)。如果將過度的輸入電壓施加於這些可攜式裝置，會導致系統無法啟動。如果電池過度充電，則須立即關閉電池充電器，但如使用反向轉接器電壓則否。
在極低或極高的電池溫度下進行鋰離子電池充電相當危險。若鈷酸鋰(LiCoO2)陰極材質的鋰離子電池的溫度在4.3伏特下達到175℃，電池就會爆炸。業界目前有許多電池充電安全性準則，如日本電子暨資訊技術產業協會(JEITA)訂定的準則，其中規範減少高低電池溫度下的電池充電電流，以期電池充電安全無虞。
進行充電時，電池充電溫度一般介於0～40℃之間，因此電池溫度必須透過電量計或充電器加以監控。電池充電系統失效時，安全計時器可發揮多一層的防護效果，安全計時器的時間一結束，電池便會停止充電。
對於運算應用，最常使用的鋰離子電池是2,200～2,600mAh容量的鋰離子電池。在0.7℃充電溫度下，12伏特或19伏特轉接器的充電電流大約是2～4安培。若要達到高效率充電，須要同步切換降壓式拓撲。另外，對於充電輸出短路或電感短路等任何元件失效或運作異常，也需要無煙式充電系統。充電器必須有類似前述的防護機制，才能避免火災或冒煙。
動態電源管理成效率最佳化關鍵
根據系統最佳化及安全性需求，圖3顯示具備易網機應用動態電源管理的獨立式高效率同步開關模式鋰離子電池充電器。此設計範例以200毫安培(mA)預先充電電流與20安培快速充電電流，以及3小時的安全計時器，將兩顆鋰離子電池充電。監控輸入電流偵測電阻R1的電壓降幅，即可達到DPM功能。同步開關模式充電器是以600kHz開關頻率進行運作，可最佳化效率及解決方案尺寸大小。外部電阻分配器R11及R12可用來設定所需的電池充電電壓。為達到最大的電池電量，須將外部電阻分配器設定為每顆電池4.2伏特的充電電壓。
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| 圖3 易網機充電器設計範例 |
另一方面，為達到最長的週期壽命，建議將電池充電電壓設定為4.1伏特。此範例可運用外部電源金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)，將一至六顆鋰離子串聯電池充電至10安培，以用於許多不使用主機控制器的電池充電應用，並提供其他防護措施，如輸入過壓、電池充電過壓、電池短路與過度充電電流等，且可自動監控電池溫度，以達到安全充電效果。
隨著可攜式運算裝置不斷演進，內建的功能愈來愈多，電池充電及系統設計成為達到高度安全性及高效能系統的最重要設計因素。本文即以小筆電應用適用的獨立式高效率同步開關模式電池充電器解決方案為例進行解說，期有助系統最佳化。
(本文作者為德州儀器電池充電管理部門經理)