在過去幾10年間，可攜式設備的功能大幅地提升。其中，手機已變得更為複雜，不僅能完成許多基本任務，還能像電腦一樣工作，功能性的提升已經把智慧手機從只能接聽電話的設備變成多用途的可攜式設備，使得其對功耗的要求日益高漲。
手機內部電池組是儲存電量並為電路供電的主電源，因此和耗電量息息相關。電池中的充電器積體電路(IC)則負責安全高效地為電池組充電，此外，還必須控制提供給系統的電源，確保在插入牆上電源時設備能正常工作。
電池組要在不影響重量與體積的情況下，儲存大量電力並在短時間內完成充電。更高的充放電電流加上更小的物理尺寸，使得電池組受到物理及熱應力的影響而變得脆弱，因此電池充電器光做為簡單的獨立充電器已經不夠了。
要確保合理的充電時間和安全的充電條件，電池充電器IC須具備高度的彈性，因為它必須保證隨時能為系統供電，並提供電池和系統適當保護。
充電電池對手機和穿戴式電子產品等電子設備都非常重要。充電電路不僅須仔細設計，還取決於三大因素：電池化學成分、功率等級以及系統負載。不同的電池化學成分需要不同的充電方法；裝置的電源需求會直接影響充電系統的成本與尺寸；最後，必須考慮系統電源需求，明確選擇電源路徑系統還是非電源路徑系統。
小尺寸/高容量優勢 鋰離子電池廣受可攜式應用青睞
在選擇充電方法時，設計人員要根據成本、空間、物料表(BOM)數量以及效率(熱負載)進行綜合考慮。且按照系統需求不同，就會有不同的電池充電器解決方案，從簡單的獨立充電器到可為系統供電的嵌入式充電器都有可能。系統需求包括：
鋰離子電池之所以成為許多可攜式應用的首選，主要原因是，它們不僅能以較小的尺寸與重量提供較高的容量，而且還具有低自放電與通常為3.6伏特(V)的高單元電壓特性，可以實現只有一節電池的電池組設計。雖然具有上述優點，鋰離子電池也因容易受到應力損壞，須要特別考慮充電電流、穩壓、小電流充電等級以及溫度監控等。
時間優化技術加速充電時間
目前，基本的充電方法有兩種：線性充電與開關模式充電。開關模式充電可在廣泛的交流電(AC)適配器電壓下最大限度地降低功耗，但會占用更多的電路板空間，增加複雜性，此外，開關模式應用通常比相同的線性應用成本高；線性充電器體積較小，非常適合雜訊敏感型設備，不過它們在整個充電過程中的效率沒有開關模式設備那麼高。
電源要求(適配器限制)
目前大多數智慧手機適配器都標定為5～10瓦(W)的最大輸出功率。圖1是不同充電電流等級所需的USB埠或適配器輸入電源，對於1.5安培(A)的充電電流來說，隨著電池電壓從3伏特上升到最高電壓，所需電源可從3瓦線性上升至5瓦。
 |
| 圖1 不同充電電流所需的輸入電源 |
對於3安培充電速率而言，整個充電週期，輸入需要提供高達12瓦的電源。在這種情況下，根據電池充電狀態不同，5瓦或10瓦適配器可能會毀壞，進而導致系統崩潰，為了避免這種情況發生，充電器要具有某些類型的保護功能來降低輸入供電。
目前業界推出一款電池充電器支援動態電源管理(DPM)，可監控輸入電壓(VIN_DPM)。在正常充電過程中，如果輸入電源不能支援程式設計或默認的充電電流，輸入電壓就會下降，如果輸入電壓降至設計人員設定的VIN_DPM臨界值，充電電流就會降低。如此可限制輸入電源的供電，避免輸入電壓進一步下降，該特性可在無任何硬體改變的情況下，確保IC兼容於具有不同電流功能的適配器。
充電時間
如同前面所提的，充電時間取決於電池容量和充電速率。縮短充電時間的最簡單方法就是加快充電速率，不過電池充電速率如果超過電池總容量的80%(0.8C)，就會在電池上產生應力。這會縮短電池使用壽命，可能也會損壞電池組，造成災難性的後果。而業界所開發的充電週期的充電時間優化技術，可在給定充電速率下縮短充電時間。
鋰離子電池的充電週期主要包括三個階段：預充(小電流)、快充(定電流)和逐漸變弱(定電壓)不同階段之間的過渡對許多開關模式充電器來說並不理想。圖2特別標示在原有充電器電路中從定電流轉變到定電壓階段的情況，電壓和電流都沒有太明顯的變化，這種行為會在充電週期中造成時間和功率上的損失。
 |
| 圖2 原有充電器(未使用時間優化技術)的充電週期 |
市面上新款鋰離子電池充電器用時間優化技術改善這種不同階段之間的轉變。如圖3顯示的充電週期與圖2採用的電池和充電條件相同，但充電時間縮短了15%以上。在最新充電器上這種轉變要強烈得多，其在快充階段的時間更長，之後再轉換到逐漸變弱階段，這就能讓電池組以更快速度獲得更多電量，進而可在不增加充電速率的情況下縮短充電時間。
 |
| 圖3 開關模式鋰離子電池充電器的時間優化充電週期 |
電路板尺寸與BOM成本
以較高充電速率來說，線性充電器就沒那麼有吸引力了，因為其在充電週期上降低的效率會在系統上導致熱負載，這一點在尺寸受限的電路板和高功率應用中尤為突出，因而推動對全面整合型開關模式充電器的需求。
許多廠商正積極推動封包創新，試圖在不影響器件裝置的情況下，縮減BOM成本與電路板尺寸，來滿足市場要求，如單體鋰離子電池充電器及系統電源路徑管理IC，主要針對採用高容量電池的空間有限型可攜式應用。舉例來說，bq2425x系列充電器支援高達2安培的充電電流、經濟型BOM以及42平方毫米的應用面積。圖4所示是提供實際應用面積尺寸的各種器件。
 |
| 圖4 適用於不同應用的DPPM充電器應用面積 |
散熱效能與效率
縮小充電器面積尺寸會影響整個電路板的散熱效能。更少的可用面積導致充電過程中功耗產生的熱量散發空間更小，就給定的電路板面積而言，唯一降低熱負載的辦法是提高電源轉換期間的充電器效率，更高的效率可帶來更低的功耗，而IC和電路板產生的熱量也會更少。
在更高功率應用中比較線性充電器與開關模式充電器的功耗時，線性充電器處於劣勢，因為功率消耗可能非常高，對於較低電池電壓而言尤其如此。這是因為線性充電器採用線性穩壓器進行功率轉換；另一方面，開關模式充電在整個電池電壓範圍內的效率要高得多，可產生較低的功率耗散。從圖5可看出線性充電器與開關模式充電器之間的功耗對比。
 |
| 圖5 線性充電器與開關模式充電器的功耗比較 |
在改善電路板上的充電器散熱效能方面，選擇開關模式充電器而不選擇線性充電器是符合邏輯的。降低開關充電器內部整合型FET的無線數據系統RDS(on)有助於提高大電流下的充電器效率，這是因為大電流情況下大多數開關充電器功耗都是由FET的RDS(on)造成的。
而新款鋰離子電池充電器整合了功率FET與低RDS(on)，內部高側及低側金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)的額定電阻分別僅為100毫歐姆(mΩ)，這有助於降低從輸入到系統輸出的功耗；FET切換至電池的RDS(on)僅為20毫歐姆，也有助於降低充放電期間的損耗。如圖6所示，bq24250系統效率資料可高達95%。
 |
| 圖6 bq24250鋰離子電池充電器的系統效率資料 |
電池保護與電池使用壽命延長
電池使用壽命週期是高功率可攜式電子設備的主要問題之一，因為電池容量隨時間推移的降低可縮短運行時間，嚴重影響使用者體驗。延長電池使用壽命週期的一個主要方法是降低充放電過程中的應力，而鋰離子電池對電池組上過電流或過電壓產生的應力非常敏感，新型電池充電器IC可調節電池電壓，支援±0.5%的室溫誤差精確度。
對充電電流而言，該IC可在攝氏0～125℃的溫度範圍內針對高達2安培的充電電流提供±0.75%誤差精確度，這種高精確度有助於設計人員根據應用需求準確編程電壓與電流等級。有了精確的充電參數，電池就可在不影響電池使用壽命週期的情況下更積極地充電。圖7是0～126℃的溫度範圍中三種充電電流精確度。對於高達1.5安培的充電電流而言，產品說明書中顯示典型的誤差精確度不超過2%。
 |
| 圖7 不同溫度下的充電電流精確度
|
系統關閉模式(SYSOFF)
在預售出貨與倉儲過程中，電池需要與系統其它部分斷開，以免耗盡電池電量。目前業者所推的電池充電器具有SYSOFF模式，可透過設置來關閉電池FET，斷開電池與系統的連接。在使用SYSOFF模式時，電池到IC的漏電流將降低至1微安培(μA)以下(圖8)。設計人員可對系統進行編程，在終端客戶將電源插入充電器時自動退出SYSOFF模式。
 |
| 圖8 SYSOFF模式下的電池漏電流 |
應用彈性
如果能夠針對不同產品及多代要求改變相同晶片的使用意圖，就會為不同系統設計直接節省成本，還可縮短應用學習曲線，透過使用已知可行解決方案來避免不必要的風險。
市場正需要整合多種特性的電池充電器系列來為不同應用提供高度彈性。如果一款充電器支援廣泛輸入電壓，它就適用於各種不同的適配器，進而可能會降低庫存成本，而高彈性的充電電流可支援大電流應用如行動電源、智慧手機及低階充電應用如藍牙(Bluetooth)耳機等。
許多充電器提供兩種晶片控制方案：I2C通訊與分立式，根據不同應用的需求來調節。在I2C模式下，設計人員可對VIN_DPM臨界值、充電電流、輸入電流限制、穩壓和終端負載等各種參數進行編程；在分立模式下工作時不需要主機控制，設計人員不僅可使用外部設置來編程以上參數，還可利用外部接腳來選擇不同輸入電流限制和啟用/停用晶片。
過去，USB充電非常直接，設備直接從USB埠為電池供電，沒什麼控制功能；但在現今的高功率應用中，設備須要從USB埠獲得更大電源，這就須要實施更複雜的標準和協議，隨著相同USB埠連接器中不同USB標準的正規化，能識別可連接設備的類型是一項極具競爭力的實用特性。
高功率可攜式設備充電有許多可用選項。目前的充電IC支援功率路徑管理和可實現更高效率的高充電電流，進而可縮短充電時間，降低熱應力並縮小解決方案尺寸。低成本BOM加上小尺寸解決方案，可在不影響尺寸與容量的情況下降低裝置成本。
(本文作者皆任職於德州儀器)