為便攜式設(shè)備快速充電設(shè)計方案-技術(shù)方案

精品文檔-下載后可編輯為便攜式設(shè)備快速充電設(shè)計方案-技術(shù)方案移動設(shè)備正日益成為我們?nèi)粘Ｉ畈豢苫蛉钡囊徊糠?。以智能手機(jī)為例，除了簡單的手機(jī)呼叫功能外，智能手機(jī)現(xiàn)在還具有豐富的特性，能夠支持社交網(wǎng)絡(luò)、Web瀏覽、消息發(fā)送、游戲以及大型高清屏幕等應(yīng)用。所有這些特性已讓手機(jī)成了高功耗設(shè)備。電池容量和能量密度得到了顯著提升，以滿足更高的電源需求。充電10分鐘即可為設(shè)備供電一天，而充電一小時即可獲得80%的電量，這已成了高端用戶體驗的趨勢。如果將快速充電要求和大型電池容量結(jié)合在一起考慮，便攜式設(shè)備的充電電流可以達(dá)到4A甚至更高。這種對大功率的需求給電池供電系統(tǒng)設(shè)計帶來了許多新的挑戰(zhàn)。

USB供電

便攜式設(shè)備通常使用5VUSB電源。傳統(tǒng)USB端口如果使用USB2.0規(guī)范，輸出電流是500mA,或若使用USB3.0,輸出電流則為900mA,這無法滿足便攜式設(shè)備的快速充電要求。USB適配器（專用充電端口，即DCP）使用微型USB連接頭即可將輸出電流提高到1.8A.但令人遺憾的是，典型的5V/2A電源適配器只能提供10W的總功率。如果使用這種電源適配器作為充電器電源，那么電池充電器多只能提供2.5A的充電電流，而這并不足以為4,000mAh及更高容量的電池組快速充電。為了提高功率，我們能否繼續(xù)增大5V電源適配器的輸出電流？如果我們增加成本且使用專用線纜，理論上是可以的。但是，這種做法會受制于下列因素：

●更高適配器電流（例如2A或更高）需要更粗的線纜和專門的USB連接頭，這會造成系統(tǒng)解決方案成本上升。此外，出于功率損耗和安全性問題考慮，傳統(tǒng)USB線纜也不能充分滿足需求。

●根據(jù)線纜長度和粗細(xì)的不同，適配器線纜的典型阻抗在150到300mOhm不等。高適配器輸出電流會造成整個線纜的壓降增大，進(jìn)而降低充電器輸入端的有效輸入電壓。當(dāng)充電器輸入電壓接近電池充電電壓時，充電電流會顯著降低，從而延長充電時間。

以使用線纜電阻為180mOhm的5V/3A適配器為例，線纜上的壓降為540mV.這樣充電器的輸入電壓就是4.46V。我們假定充電器輸入端到電池組的總電阻為150mOhm，這包括充電器功率MOSFET的導(dǎo)通電阻和電感器的DC電阻。即使充電器能夠支持3A的電流，但對4.35V鋰離子電池充電而言，充電電流僅為730mA。不足1A的充電電流顯然不能高到能滿足快速充電的需要。

根據(jù)上述分析，必須提高電源輸入電壓，才能提供足夠的電壓避免充電器進(jìn)入低壓降模式。出于這些制約因素，如果系統(tǒng)要求的功率大于10W或15W，使用高電壓適配器，比如9V或者12V。在相同的功率下，高電壓適配器不僅需要較低的輸入電流，而且還具有更大的輸入電壓裕度，可提供電池充滿電的電壓。高電壓適配器的局限性是存在向后兼容性問題。將高電壓適配器插入到用于支持5V輸入的便攜式設(shè)備上，如果系統(tǒng)不關(guān)閉（由于過壓保護(hù)），設(shè)備也會遭到損壞（由于缺乏足夠的高電壓保護(hù)）。

由于這些限制性因素的存在，USD供電適配器等眾多新型混合式高電壓適配器正在涌入市場。這類混合電電壓適配器的共同特性是能夠通過適配器與系統(tǒng)控制器之間的握手來識別系統(tǒng)的電壓需求。該適配器以5V為起步輸出來作為默省值。只有在系統(tǒng)確認(rèn)其能支持較高電壓來實(shí)現(xiàn)快速充電時，才會將電壓抬升到更高的9V或12V。系統(tǒng)與適配器之間的通信可使用VBUS實(shí)現(xiàn)，也可借助專門的握手算法或信號來通過D+和D-線路實(shí)現(xiàn)。這種新型混合、可調(diào)節(jié)電壓適配器不僅也能用作通用電源，同時還支持作為普通電源的傳統(tǒng)5V電壓和用于快速充電的高輸入電壓系統(tǒng)。

快速電池充電

我們能否通過一些特別的電池充電方案在不提高輸入功率或增大充電電流的情況下縮短充電時間呢？要想找到答案，我們需要先來了解一下電池充電周期。

在電池充電周期中存在兩種工作模式：恒流（CC）模式和恒壓（CV）模式。當(dāng)電池電壓低于穩(wěn)壓充電電壓時，充電器便以CC模式工作。一旦感測到電池組端電壓達(dá)到預(yù)先設(shè)定的穩(wěn)壓電壓時，即進(jìn)入CV模式。當(dāng)實(shí)際電池電流達(dá)到終止電流時，電池充電即告結(jié)束。終止電流通常相當(dāng)于整個快速充電電流的5%到10%。

在理想的充電系統(tǒng)中，電池組本身沒有任何電阻，僅存在恒流模式。它沒有CV充電模式，充電時間短。其原因在于，只要充電電壓達(dá)到穩(wěn)壓充電電壓，充電電流就會立即下降到零并達(dá)到充電終止電流。

但是，在實(shí)際電池充電系統(tǒng)中，從電池電壓感測點(diǎn)到電池之間存在一系列電阻。這些電阻包括：1）PCB線跡電阻；2）兩個電池充放電保護(hù)MOSFET的導(dǎo)通電阻；3）在電量監(jiān)測計起過流保護(hù)作用且用于測量電池充放電電流的電流感應(yīng)電阻；以及4）與電池老化狀況、溫度和充電狀態(tài)呈函數(shù)關(guān)系的電池內(nèi)部電阻。

在對新電池使用1C充電速率時，充電器使用大約30%的充電時間工作在CC模式下，就可充足大約70%的電池容量。相反，充電器需要工作在CV模式下用總充電時間的70%才能充滿剩余30%的電池容量。電池組的內(nèi)部電阻越大，處于CV模式下的充電時間就越長。只有當(dāng)電池開路電壓達(dá)到充電電壓時，電池才能完全充滿。如果電池充電電壓感測點(diǎn)與實(shí)際電池之間存在較大電阻，那么即便電池組感測到電壓達(dá)到穩(wěn)壓電壓后，真正的電池開路電壓仍然低于所需的穩(wěn)壓電壓。

對于智能手機(jī)和平板電腦等使用4A或更大充電電流的應(yīng)用來說，面臨的困難更大。在如此大的充電電流下，PCB線跡或電池組內(nèi)部電阻器上的壓降會顯著增大。這會造成充電器過早進(jìn)入CV模式，造成充電時間拖長。如何才能縮短因這種高壓降拖長的充電時間呢？

通過密切監(jiān)測充電電流，就能準(zhǔn)確地實(shí)時估算充電路徑中的壓降。這種稱為IR補(bǔ)償?shù)碾娮柩a(bǔ)償技術(shù)能通過提高電池穩(wěn)壓電壓來補(bǔ)償充電路徑中的額外壓降。采用該技術(shù)，充電器就能盡可能長時間地工作在恒流穩(wěn)壓模式下，直至實(shí)際電池開路電壓極為接近所需的電壓值。這樣，處于CV模式下的充電時間就能顯著縮短，讓總充電時間縮短達(dá)20%。

系統(tǒng)散熱優(yōu)化

要實(shí)現(xiàn)快速充電功能，就需要使用9V/1.8A和12V/2A等較高功率適配器。另外，除了為電池充電，電池充電器還能為系統(tǒng)供電。這樣它就成了便攜式電源設(shè)備中溫度的組件之一。為了提供更理想的終端用戶體驗，設(shè)備外殼的溫度和環(huán)境溫度之間的差異應(yīng)不超過15°C。由于這個原因，電池充電器的電源轉(zhuǎn)換效率和系統(tǒng)散熱性能需要滿足更加嚴(yán)格的要求。如何才能同時實(shí)現(xiàn)的散熱性能和理想的效率呢？

圖1:本方框圖代表4.5AI2C高效率開關(guān)充電器

圖1是4.5A高效率開關(guān)模式充電器的簡化應(yīng)用電路圖。該充電器可同時支持USB和AC適配器，而且所有MOSFET均內(nèi)部集成。MOSFETQ2和Q3以及電感器L組成了基于同步開關(guān)降壓的電池充電器。這種組合能盡可能實(shí)現(xiàn)的電池充電效率，而且能充分運(yùn)用適配器功率實(shí)現(xiàn)快的充電速度。MOSFETQ1可用作電池反向阻斷MOSFET，防止電池通過MOSFETQ2的體二極管漏電到輸入端。此外，它還可用作能監(jiān)控適配器電流的輸入電流感測元件。MOSFETQ4可用于主動監(jiān)控電池充電電流。設(shè)計中使用的全部FET應(yīng)有足夠低的導(dǎo)通電阻才能實(shí)現(xiàn)高效率。要進(jìn)一步提升散熱性能，還可采用散熱穩(wěn)壓環(huán)路。當(dāng)結(jié)溫達(dá)到預(yù)定義的結(jié)溫值時，其可通過降低充電電流來避免突破結(jié)溫限制。

圖2:不同充電電流下的充電時間比較：2.5A與4.5A

實(shí)驗測試結(jié)果

圖2顯示了充電電流與充電時間之間的關(guān)系。很容易理解，只要電池充電電流的速率沒有超過電池制造商指定的電流速率，那么使用大充電電流就能加快充電速度。如圖2所示，充電時間可以縮短30%。換言之，當(dāng)充電電流從2.5A增大到4.5A時，充電時間就會從269分鐘縮短到206分鐘。

圖3顯示了將IR補(bǔ)償技術(shù)用于實(shí)際充電器設(shè)計所獲得的充電時間縮短的優(yōu)勢。充電時間縮短17%，就可從234分鐘縮短到200分鐘。

圖3:使用IR補(bǔ)償法的快速充電對比。同樣使用4.5A充電電流，充電時間可從234分鐘縮短到200分鐘。在給單節(jié)8,000mAh