隨著可攜式系統設計者將目光轉向更高容量的電池，以支援更具擴充性的功能組合，充電器晶片製造者正逐漸考慮以切換式架構來符合此日趨成長的需求。今日普遍用來充電單顆鋰電池的線性充電器晶片雖是具有低成本、低雜訊吸引力的解決方案，但其效率水準無法支援更高充電率和更短的充電週期；另一方面，可大幅提升效率和充電率的切換器充電器晶片，卻在雜訊、成本和尺寸上存在相當大的挑戰。
本文將檢視切換充電器晶片的成長需求，同時檢驗切換式和線性架構架構的利弊，以及目前競爭激烈的可攜式系統市場上，對於電池充電器晶片獨特且變化迅速的要求。最後，也將介紹某些充電器晶片供應商正在探索的創新技術，這些技術將使供應商能從切換式充電器的更高效率上中獲益，並且降低產品的雜訊、成本和尺寸。
鋰離子技術是目前針對小型可攜式裝置之電池技術的理想選擇。不論是在尺寸和形狀上，鋰離子電池皆具備高度彈性的優勢。基於其鋰聚合物形式，這類電池可以適用於廣泛的尺寸和形狀等特殊情況。
此外，藉由適當的狀態機制和安全防護功能，鋰電池可輕易地套用經過反覆驗證的可靠演算法來充電，其充電模式有三種：預處理、恆定電流/快速充電、恆定電壓/尖細充電(Taper Charge)。預處理模式適用於電池首次使用時，或已經被放電很長一段時間。當一顆鋰電池在充電時，絕大多數的時間可能會處於恆定電流/快速充電模式、或是在尖細充電/恆定電壓模式。每個模式的長度取決於電池容量和充電器的充電能力。圖1亦說明了電池使用期間的放電相位，以及之後根據電池電壓位準，回復至三個充電模式之其中一種。
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| 圖1 鋰電池充電器演算法 |
大容量電池趨勢考驗線性充電架構
目前可攜式系統通常使用相對容易建置的線性電池充電器(圖2)。一款典型的線性電池充電器所須的外部零組件很少，且因為不使用切換零組件，因此這類充電器所產生的雜訊也最少。
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| 圖2 具備典型外部零組件的線性電池充電器裝置 |
但線性架構的主要問題在於，從線性穩壓器通過場效電晶體(FET)這段過程的功耗相對較高。因此，線性充電架構最有優勢的應用情境，在於低電池充電電流時。
然而，隨著可攜式系統設計者繼續縮減系統的尺寸，且整個可攜式系統的設計複雜性和功耗與日俱增，線性充電器的功耗就變成一大問題。下列條件是可攜式裝置經常遇到的狀況：由於線性平移電晶體的最大功耗產生於適配器輸入電壓處於最大值，和電池輸出電壓處於最小值時。若鋰電池的電壓範圍從2.7～4.2伏特(典型值)，在典型的1安培充電電流狀況下，充電器本身的功耗可能超過3瓦。試想，如果使用者在一邊使用可攜式裝置時，還同時為電池充電，此充電器勢必將產生大量的熱，不僅將對系統或電池產生潛在性的損害，並且須花費更長時間完成充電周期。
此外，由於使用者對電池續航力的追求永無止境，可攜式系統設計者只能在進行產品設計時不斷採用更高容量的電池。這些大容量電池在充電時必須使用更高的充電電流，以在相同的時間內充飽電。這對於線性充電架構而言非常不利，因為這類充電器不太適用於高充電電流的應用場合。
切換式充電效率高 雜訊問題相對棘手
隨著可攜式系統設計者朝向更高容量的電池發展，並且電池功率密度也逐漸上升，設計人員必須在設計中導入效率更高的充電架構。由於切換式電源和電感的高效率特性，切換式電池充電器晶片提供設計者一個突破線性充電器限制的機會，讓系統對電池提供更高的充電電流，並使用更低的功率(圖3)。
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| 圖3 具備標準外部零組件的切換式電池充電器 |
然而，以切換式充電器取代線性充電器並非毫無代價。設計人員若要導入切換式充電器，通常得同時克服隨之而來的雜訊問題。這是因為切換式架構在輕負載操作，特別是在預處理和尖細充電模式時，因為充電電流減少，某些切換充電器將進入脈衝跳略(Pulse Skipping)操作，其中的脈衝寬度調變(PWM)頻率將以非同步方式改變，這個特性導致難以濾除的系統級電磁波干擾(EMI)雜訊問題。
為解決此問題，並有效運用兩種充電架構的獨特特性，某些電源半導體製造商開始開發新電池充電器設計。這些新架構採用可切換式的設計，當系統需要高充電電流時，利用切換式充電器來進行充電，以縮小對系統最小的熱衝擊；當系統進入低電流充電模式後，再切換至線性充電器，使雜訊降至最低。
具備線性模式的新型PWM切換模式充電器可透過全恆定電流(快速充電)率來提升充電效率。切換式充電器以PWM切換穩壓器控制恆定電流充電模式至2安培，並自動地在電池預處理模式與接近恆定電壓尖細充電模式尾聲時，切換至線性模式。對於大多數充電時間都處於尖細充電模式期間的可攜式裝置而言，這個功能特別有用，因為切換模式可以被用來加速充電週期。此外，當充電電流位準降至300毫安培以下時，線性模式將接手完成剩下的充電工作。因而可消除切換轉換器所引起的雜訊。
線性/切換式架構優勢互補
用來為電池充電的切換式充電器運用了降壓架構的優勢，以在降低輸出電壓時倍增輸入電流。此種優勢可透過以下兩個公式比較來說明。此外，降壓架構也提供了從電流受限的裝置達到最高電池充電的能力，同時大幅降低功耗和熱損。 傳統的線性充電器晶片，可用以下方程式表示：
PD=(VPIN-VBAT)×IBAT=(5V-2.8V)×1A= 2.2W
而切換模式充電器晶片，可表示成以下的方程式：
當效率η=90%時，可得：
PD=(2.8V×1A/0.9)-(2.8V×1A)=0.311W
從上述公式可以很清楚地得知，在較高充電電流時，相較於耗散太多功率與熱的低效率線性充電器，切換充電器的較高效率可節省大量電力。然而，在此演算法的較低電流充電區間，線性充電器可符合充電要求，並大幅降低雜訊。此外，如果電池可接受高於1安培的充電率，此切換充電器將能非常迅速地完成快速充電時間。降壓切換模式架構的另一個好處，是使用更低的電流源，例如電流受限的適配器。此降壓架構可運用電流倍增的概念，將任何電流限制電源效率達到最高。例如，針對1.25安培的最大輸入電流，一個具備5伏特輸入電壓、操作效率可達90%、電池電壓為2.8伏特的充電器，其電池充電電流將可高達2安培。
混合架構為新一代充電器的最適選擇
線性和切換式充電架構各自有其非常明確的優勢。線性充電具備低雜訊優點，提供一項在低充電電流(例如在充電週期的預處理和尖細充電階段較低電位時)的良好解決方案；另一方面，更高效率的切換模式充電，以及其能以更高電流迅速充電電池而不產生熱的能力，則提供一項在更高電流快速充電模式期間、和尖細充電模式的較高電位時更好的替代方案。透過兩種充電方法的優勢，本文所描述的方法提供了可攜式系統設計者一個新的方式，以迅速充電新一代的高容量電池，同時還能將切換模式電源供應器固有的雜訊降至最低。
(本文作者任職於AnalogicTech)