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淺論高效能電池充電器IC主要特質
 

【作者: Steve Knoth】   2006年12月12日 星期二

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電池供電產品如手持汽車診斷器和USB供電裝置、以及具有備援電池系統的非手持工業和醫療電子用品等,持續地透過新功能的整合,轉化為更便利且功能更強大的產品。然而,對於新功能、便攜性和使用彈性的要求,也同時帶給產品設計工程師許多設計上的挑戰,包括更具效率、快速且準確的電池充電設計、低功耗、獨立運作、更小的解決方案尺寸、與USB和高電壓電源的相容性、自主性管理等各種不同輸入電源的能力,於是,包含線性和開關模式等不同架構的電池充電器IC紛紛出現,有些甚至能與智慧電池相容。


此外,這些電池充電器 IC能充電各種不同化學機理電池,包含從鋰離子/聚合物到密封式鉛酸(SLA)、鎳氫以及鎳鎘電池等。本文將說明如何針對不同應用選擇正確電池充電器IC,並探討每一種電池充電器IC的充電架構和特質-包含設計與效能的權衡。


主要的設計挑戰

當面臨節省板面空間、與增加產品可靠度之需求的結合時,電池充電器IC所需的高階功能整合,將為電池供電電子裝置的設計帶來極大壓力。系統設計人員所面臨的主要挑戰包含:


  • ●快速充電時所需的大電流充電能力;


  • ●效率最大化和功耗最小化ee;


  • ●高輸入電壓操作;


  • ●可在多重電源或負載間切換的PowerPath控制;


  • ●精小的整體方案接腳佔位和高度;


  • ●USB充電的相容性;USB


  • ●與智慧型電池搭配工作的相容性。



解決方案


大電流能力與快速充電

大部分使用者對快速充電其電池供電裝置能力的評價,引導出具備高電流充電能力的電池充電器IC。線性充電器架構或許可快速充電,然而功耗必須加以監視以防止過熱情況發生,因為該架構的本質是一個線性穩壓器,其功耗等於輸入-輸出電壓差與充電電流的乘積。


以enables fast charging.開關模式為基礎的充電器 IC 更適合用於快速充電,因其電感為基礎的架構,在更高的效率下可達到更高的充電電流,因此可將功耗降至最低。除了速度以外,高精確度的充電電流更可降低終端裝置充電時間的變異度。


具備最低功耗的高效率充電

當電池容量增加,充電電流也比須隨著增加,以維持合理的充電時間。傳統線性穩壓器的電池充電器也許無法滿足充電電流和維持產品低溫運作所需的效率,低效率意謂著更多熱的產生。此種情況需要的是一個基於開關模式的充電器,其所需的空間約略等於線性方案,但卻能產生更少的熱。採用開關穩壓器的架構原本便更具效率,這是因為功率元件導通-關閉切換的自然行為所致,而不像線性充電器裏”永遠導通”的功率元件。在一些凌力爾特的電池充電器IC中,所建置的 Bat-Track自適性輸出控制功能大幅改善了電池充電器效率,因為輸入開關穩壓器電路模塊的輸出電壓,會自動地追蹤電池電壓。



《圖一  相較於線性充電IC,LTC4001具最低功耗能力》
《圖一 相較於線性充電IC,LTC4001具最低功耗能力》

高輸入電壓能力與敏感度(Acceptance Susceptibility)

大部分客戶非常滿意其手持裝置的便攜性,因此,能夠處理如Firewire/IEEE1394(?)、12V~24V 牆式轉接器、未穩壓的高電壓(>5.5V)牆式轉接器、或汽車車內轉接器輸出等的高電壓輸入源,就可在居家或工作以外的地點快速充電。當使用這些電力來源時,轉接器電壓和手持裝置內電池電壓的電壓差可能非常大,因此,一個線性充電器也許無法處理所產生的功耗,端看所需的充電時間和電流而定。


此種情況所需的,是一顆採用開關模式架構的IC,在維持快速充電的同時,還能提升效率,減少熱管理問題。請注意,當討論從USB、鋰離子/聚合物電池或輸入電壓低於5.5V的牆式轉接器供電時,線性充電器/功率管理器也許是較適合的,而且也能快速地充電,然而,一顆具備高電壓能力的 IC 對於輸入電壓的瞬變是較不敏感的,如此可增加 IC 和系統的免疫力和可靠度。Linear’s LTC4002/6/7/8 switchmode chargers offer high-voltage input operation in excess of 28V and feature the highest efficiency with their synchronous buck switchmode topology.


PowerPath控制和理想二極體

目前,有許多可攜式電池供電電子用品可由牆式轉接器、汽車車內轉接器、USB埠或鋰離子/聚合物電池來供電。然而,自主管理這些來自不同電力源的電源路徑控制,也衍生了重要的技術挑戰。傳統上,設計人員嘗試著藉由一堆MOSFET、運算放大器和其它獨立元件,獨立地去執行這項功能,但卻面臨可能危害系統可靠性的熱插拔和極大湧浪電流等問題。近期以來,即使是獨立IC解決方案也需要許多晶片以建置一個實際的解決方案,而一個整合性電源管理器IC,便可輕易地解決這些問題。


PowerPath 控制允許終端產品在接上後立即工作,不論電池充電狀況如何、甚或電池是不存在的;此稱為「隨開即用」操作。一個具備 PowerPath 控制的裝置,可從USB VBUS 或牆式轉接電源供應器提供電源予裝置本身,還能充電其單顆鋰離子/聚合物電池。


為了確保一顆充飽電的電池在排線連接後,還能保持滿電的狀態,IC會經由 USB 排線將電力導到負載,而不是從電池汲取電力。一旦電源被移除,電流從電池經由一個內部低損耗理想二極體流到負載,將壓降和功耗減到最低。理想二極體的順向壓降遠比傳統或蕭特基二極體小很多,逆向漏電流也極小,此極小的順向壓降可降低功耗和自我加熱,延長電池續航力。詳細情形可參考(圖二)。



《圖二  簡化的PowerPath控制電路 》
《圖二 簡化的PowerPath控制電路 》

整合PowerPath控制器和理想二極體裝置「電池管理」的電池充電器,能有效地管理不同類型的輸入電源,以降低功耗,並且全數具有極小的構型尺寸。


輕巧的封裝尺寸與解決方案

空間對於可攜性裝置而言是相當珍貴的,甚至對於一些非可攜性產品亦然。針對空間限制性的應用,精小的解決方案可節省板面空間,降低元件數,節省 PCB 製造的「取放操作」成本,改善系統的可靠度。微型、低高度封裝節省板面空間與高度。


當權衡架構和尺寸時,主要的設計折衷考量將是效率。例如,線性充電器不需電感,但效率比開關模式充電器低,開關模式充電器需要電感,因此需求更大的空間。


整合阻斷二極體增加了一層保護,且節省空間;整合型功率裝置將熱能管理整合入晶片內,節省板面空間和成本;開關模式架構充電器的高開關頻率降低外部元件,如電感和電容的尺寸;整合檢測電阻不只節省成本和空間外,還可去除造成精準度問題的板面佈線錯誤的可能性,而多重輸入充電器能提供更高的設計彈性和降低PCB工序。


USB相容性、便利性和高功率

針對GPS導航器、PDA、數位相機、相片瀏覽器、MP3/MP4播放器和其它多媒體裝置而言,傳統5V/500mA(2.5W)USB 電源、高輸入電壓源和電池充電能力具有許多優點。例如,USB電源提供外出時,無需攜帶旅充轉接器的便利性;相關裝置可由膝上型電腦或其它具有USB埠的設施來供電。如前述,高電壓輸入源允許在如汽車內等不同地點充電,這對最佳自由度和可攜性而言是相當重要的。



《圖三    LTC4089的典型應用電路 》
《圖三 LTC4089的典型應用電路 》

(表一)上述的屬性要求,歸納了凌力爾特主要電池充電器IC 的特性,其中涵括了極廣泛的產品群。


(表一) 凌力爾特代表性的電池充電器IC

Part Number

Topology

Battery

Ic HARGE

V IN /absmax

Smart

PowerPath

USB

Standalone

Package

LTC4065/A/9

Linear

Li

750Ma

5.5V/7V

no

no

/

/

2 × 2DFN-6

LTC4075/6/7

Linear

Li

950mA

8V/10V

no

no

/

/

3 × 3DFN-10

LTC4085

Linear

Li

1.5A

5.5V/7V

no

/

/

/

3 × 4DFN-14

LTC4079

Linear

Li

1.5A

36V/40V

no

/

/

/

3 × 6DFN-22

LTC40001

Switchmode

Li

2A

5.5V/7V

no

no

no

/

4 × 4DFN-16

LTC40006/7

Switchmode

Li

4A

28V/32V

no

INFET

no

/

SSOP-16/24

LTC40008

Switchmode

Li.Ni.SLA

4A

28V/32V

no

INFET

no

no

SSOP-20

LTC4010

Switchmode

Ni

4A

34V/36V

no

no

no

/

TSSOP-16

LTC4011

Switchmode

Ni

4A

34V/36V

no

/

no

/

TSSOP-20

LTC4100/1

Switchmode

Li.Ni.SLA

4A

28V/32V

/

INFET

no

/

SSOP-24

LTC1760

Switchmode

Li.Ni.SLA

4A

28V/32V

/

/

no

/

TSSOP-48


結論

電池供電產品設計人員正面臨縮小尺寸、便利性、高效率、快速充電和低功耗,以及針對可攜要求的USB相容性、高輸入電壓能力等挑戰。


同時,各項設計還需加以整合以節省板面空間、降低製造成本和提升產品可靠度。凌力爾特擁有一個極大且成長中的電池充電 IC 產品家族,其不僅使產品設計人員的工作變得更輕鬆,更提供寬廣的特性選擇,產品範圍包含從Battery-powered product最小的2mm×2mm 獨立線性充電器,到快速充電高效率開關模式充電器、與智慧型電池完全兼容的充電器 IC等 。這些高效能 IC 為系統設計人員和可攜式、或不可攜式電池供電電子裝置的終端用戶帶來了無數利益。


(作者為凌力爾特產品行銷工程師)


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