隨著便攜式設備所處的環(huán)境越來越嚴苛,便攜式終端用戶將繼續(xù)面臨穩(wěn)健性及穩(wěn)定性方面的挑戰(zhàn)。某類產(chǎn)品與其他產(chǎn)品的主要區(qū)別體現(xiàn)在各種苛刻環(huán)境中,設備的穩(wěn)定性、可靠性以及穩(wěn)健性的不同。bq2406X 產(chǎn)品系列具有獨特的輸入過電壓保護、散熱調(diào)節(jié)以及 DTC 功能,實現(xiàn)了一款穩(wěn)健的系統(tǒng)設計。
現(xiàn)代便攜式設備相當普及,同時越來越A以及便攜式媒體播放器已開始使用鋰離子(Li-Ion)電池。此類可充電電池的高需求量促使眾多的第三方廠商不斷開發(fā)出諸如充電座及充電適配器等附件。此類充電適配器雖不昂貴,但其充電特性及保護功能往往與原OEM廠商生產(chǎn)的適配器有所差及可靠性。如果在充電器級的設計過程中謹記以下特性,則可實施一個適用于所有的外部AC適配器的穩(wěn)健系統(tǒng):
1. 抑制瞬態(tài)電壓峰值的保護；
2. 非穩(wěn)壓適配器的；
3. 散熱管理及故障保護產(chǎn)品系列的示例,展示了一系列以滿足上述要求為目的的線性充電器。
多種多樣的AC適配器
當今便攜式系統(tǒng)設計方面的主要問題之一在于適應寬輸入電源范圍的需求,例如AC適配器、USB線纜或車載/空載的直流輸出。將適配器以低廉的價格推向市場,取代了昂貴的原始設備制造商(OEM)制造的適配器,從而促進了眾多廠商的發(fā)展,使可充電便攜式設備取得了很大成功。此類最流行的電源,如AC適配器,通常可根據(jù)其特性劃分為兩種:穩(wěn)壓適配器(原廠配件)以及非穩(wěn)壓適配器(普通的配件適配器)。
穩(wěn)壓適配器的輸出電壓通過內(nèi)部電路提供非常優(yōu)良的線路及負載調(diào)節(jié)。而非穩(wěn)壓適配器所提供的輸出電壓則取決于負載。線路負載調(diào)節(jié)能力不強,適配器在過電流狀態(tài)下的行為也有所差別。穩(wěn)壓適配器在進入過電流區(qū)域時通常具有更為陡峭的過渡區(qū)(transition region)。
輸入瞬變和過電壓狀態(tài)
當今,靠上述適配器供電的便攜式設備在設計時必須整合保護功能,將過電壓損壞終端設備的風險降到最小。過電壓可為兩種模式:直流過電壓以及瞬變過電壓。
通常情況下,直流過電壓源于所插入的配件或非標準適配器上錯誤的輸出電壓。另一方面,將適配器熱插入終端設備時,就會出現(xiàn)瞬變過電壓。瞬變過電壓可輕松地達到正常適配器輸出電壓的2倍,如圖1所示。
圖1:多種功能的完美結合造就了線性充電器穩(wěn)健的系統(tǒng)設計。
如果設計合理,充電器級可用于將外部電源與電池和系統(tǒng)隔離,如圖2所示。在該拓撲結構中,電池組及系統(tǒng)的正極終端被連接至充電器的輸出。充電器功率級有效地將外部適配器與系統(tǒng)電源總線隔離。
實施如圖2所示的拓撲結構以后就得到了一種穩(wěn)健的設計,其充電器級整合了輸入過電壓保護(OVP)功能,以監(jiān)測輸入電壓并在探測到直流過電壓時關閉充電器級。當充電器級關閉時,系統(tǒng)的電源總線與適配器的輸出完全隔離。對于5V的穩(wěn)壓適配器而言,其輸入過電壓保護閾值通常設定為。bq2406X系列提供了及的選擇以適用于穩(wěn)壓和非穩(wěn)壓適配器。
圖2:充電器級將外部電源與電池和系統(tǒng)隔離。
為隔離并保護系統(tǒng)和電池免受外部電源瞬變過電壓的損害,可以使用具有約2倍于一般適配器額定電壓的寬輸入電壓范圍的充電器級。
需要注意的是,在上述所討論的拓撲結構中,若最小的系統(tǒng)電流(例如待機模式下)高于終止電流閾值,則可能會產(chǎn)生鎖死情況。如果系統(tǒng)電流高于終止電流閾值,那么將無法對終止電流進行檢測。安全計時器將被激活,充電器級將在電池充至滿容量之前就斷電。為解決可能發(fā)生的該問題,當設備處于高功率模式而電池充電器處于開啟模式時,bq2406X系列提供了一個關閉安全計時器以及充電終止功能的選項。
散熱管理與故障保護
線性充電器中至系統(tǒng)電源總線的高輸入電壓差分可導致裸片溫度上升,甚至會超過最高的結點溫度值并引起熱損壞。為避免該問題發(fā)生,此類設計必須考慮使用包含了熱關斷及熱調(diào)節(jié)功能的穩(wěn)健的散熱管理解決方案。
通常,所有集成充電器IC都必須具有內(nèi)部熱關斷功能,一旦IC的內(nèi)部結點溫度超過了最高結點溫度值,熱關斷功能將被觸發(fā),以確保運行過程中不會發(fā)生熱損壞。在典型的應用中,當充電電流大約為1A而充電器輸入電壓高于電池電壓2~3V時,熱關斷功能將被激活。在激活狀態(tài)下,熱關斷電路將關閉充電器功率級,以避免熱損壞。通常的熱關斷電路都具有設計上的滯后效應。當IC裸片溫度降低時,功率級才重新開啟。裸片溫度會一直升高,直到熱關斷電路被再次激活。其散熱所維持時間可達數(shù)秒,維持時間取決于PCB的布局,該工作模式在以充電狀態(tài)LED指示時一般被稱為“閃爍”(flashing)模式。
為解決此類散熱問題,可添加一個散熱環(huán)路,以降低充電電流并確保IC結點溫度低于熱關斷閾值。為bq2406X系列線性充電器添加了散熱環(huán)路的運行如圖2所示。散熱環(huán)路在激活狀態(tài)下可有效降低充電電流,降低充電器級功率MOSFET的功耗。
需要注意的是,具有散熱環(huán)路的線性充電器在輸入電壓過高的情況下,充電電流值可降至非常低。在此類情況下,誤終止(false termination)可對充電電流是否降至低于終止閾值進行檢測。為避免此問題,bq2406X將在散熱環(huán)路激活時使終止功能關閉。
動態(tài)計時器控制
充電安全計數(shù)器用于檢測故障條件,如果充電周期時長超過正常狀態(tài)下所期望的總體時間,且充電電流等于額定的快速充電電流,則判斷出現(xiàn)故障。在散熱環(huán)路激活狀態(tài)下,充電電流降低。若是散熱環(huán)路在較長一段時間內(nèi)被激活,那么故障安全計數(shù)器的故障狀態(tài)即可觀察得出。為避免錯誤狀態(tài)的發(fā)生,bq2406X充電器IC激活了動態(tài)計時器控制(DTC),這是一個內(nèi)置電路,其通過編程調(diào)整計時終止輸出的時間值來降低安全計數(shù)器的時鐘效率。DTC電路將在散熱環(huán)路被激活時同時開啟。
圖3:散熱環(huán)路在輸入電壓瞬變情況下的運行。
散熱調(diào)節(jié)功能以及DTC電路提供了穩(wěn)健的散熱管理及故障保護方法,以保護充電器級和系統(tǒng)免遭瞬變或其他過電壓狀態(tài)所引起的散熱故障。
本文小結
此處所討論的便攜式設備在各廠商之間存在著激烈的競爭,并且在不斷進行創(chuàng)新,差異化也在加強。隨著便攜式設備所安置的使用環(huán)境越來越嚴苛(例如,在炎熱的夏日將電話放置在汽車內(nèi)充電,或是插入了廉價的配件或錯誤的適配器),終端用戶將繼續(xù)面對在穩(wěn)健性及穩(wěn)定性方面便攜式設備所帶來的挑戰(zhàn)。一類產(chǎn)品與其他產(chǎn)品的主要區(qū)別體現(xiàn)在出現(xiàn)上述不希望出現(xiàn)的狀態(tài)時,設備的穩(wěn)定性、可靠性以及穩(wěn)健性的不同。bq2406X產(chǎn)品系列具有獨特的輸入過電壓保護、散熱調(diào)節(jié)以及DTC功能,造就了一款穩(wěn)健的系統(tǒng)設計以解決這些問題。
系統(tǒng)設計工程師的職責就在于將此類因素納入考慮,以確保其產(chǎn)品更智能、更穩(wěn)健,以使其產(chǎn)品在眾多的產(chǎn)品中獨樹一幟,而不是“泯然眾人”。
作者:Pavan Pudipeddi
便攜式電源管理電池充電管理產(chǎn)品部
TI公司
