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隨著(zhù)便攜式設備所處的環(huán)境越來(lái)越嚴苛，便攜式終端用戶(hù)將繼續面臨穩健性及穩定性方面的挑戰。某類(lèi)產(chǎn)品與其他產(chǎn)品的主要區別體現在各種苛刻環(huán)境中，設備的穩定性、可靠性以及穩健性的不同。bq2406X 產(chǎn)品系列具有獨特的輸入過(guò)電壓保護、散熱調節以及 DTC 功能，實(shí)現了一款穩健的系統設計。 現代便攜式設備相當普及，同時(shí)越來(lái)越A以及便攜式媒體播放器已開(kāi)始使用鋰離子(Li-Ion)電池。此類(lèi)可充電電池的高需求量促使眾多的第三方廠(chǎng)商不斷開(kāi)發(fā)出諸如充電座及充電適配器等附件。此類(lèi)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(chǎng)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(guò)程中謹記以下特性，則可實(shí)施一個(gè)適用于所有的外部AC適配器的穩健系統： 1. 抑制瞬態(tài)電壓峰值的保護; 2. 非穩壓適配器的; 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(mǎn)足上述要求為目的的線(xiàn)性充電器。 多種多樣的AC適配器 當今便攜式系統設計方面的主要問(wèn)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(xiàn)纜或車(chē)載/空載的直流輸出。將適配器以低廉的價(jià)格推向市場(chǎng)，取代了昂貴的原始設備制造商(OEM)制造的適配器，從而促進(jìn)了眾多廠(chǎng)商的發(fā)展，使可充電便攜式設備取得了很大成功。此類(lèi)最流行的電源，如AC適配器，通�？筛鶕涮匦詣澐譃閮煞N：穩壓適配器(原廠(chǎng)配件)以及非穩壓適配器(普通的配件適配器)。 穩壓適配器的輸出電壓通過(guò)內部電路提供非常優(yōu)良的線(xiàn)路及負載調節。而非穩壓適配器所提供的輸出電壓則取決于負載。線(xiàn)路負載調節能力不強，適配器在過(guò)電流狀態(tài)下的行為也有所差別。穩壓適配器在進(jìn)入過(guò)電流區域時(shí)通常具有更為陡峭的過(guò)渡區(transition region)。 輸入瞬變和過(guò)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(shí)必須整合保護功能，將過(guò)電壓損壞終端設備的風(fēng)險降到最小。過(guò)電壓可為兩種模式：直流過(guò)電壓以及瞬變過(guò)電壓。 通常情況下，直流過(guò)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(shí)，就會(huì )出現瞬變過(guò)電壓。瞬變過(guò)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(xiàn)性充電器穩健的系統設計。 如果設計合理，充電器級可用于將外部電源與電池和系統隔離，如圖2所示。在該拓撲結構中，電池組及系統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電源總線(xiàn)隔離。 實(shí)施如圖2所示的拓撲結構以后就得到了一種穩健的設計，其充電器級整合了輸入過(guò)電壓保護(OVP)功能，以監測輸入電壓并在探測到直流過(guò)電壓時(shí)關(guān)閉充電器級。當充電器級關(guān)閉時(shí)，系統的電源總線(xiàn)與適配器的輸出完全隔離。對于5V的穩壓適配器而言，其輸入過(guò)電壓保護閾值通常設定為6.5V。bq2406X系列提供了6.5V及10.5V的選擇以適用于穩壓和非穩壓適配器。
圖2：充電器級將外部電源與電池和系統隔離。 為隔離并保護系統和電池免受外部電源瞬變過(guò)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，若最小的系統電流(例如待機模式下)高于終止電流閾值，則可能會(huì )產(chǎn)生鎖死情況。如果系統電流高于終止電流閾值，那么將無(wú)法對終止電流進(jìn)行檢測。安全計時(shí)器將被激活，充電器級將在電池充至滿(mǎn)容量之前就斷電。為解決可能發(fā)生的該問(wèn)題，當設備處于高功率模式而電池充電器處于開(kāi)啟模式時(shí)，bq2406X系列提供了一個(gè)關(guān)閉安全計時(shí)器以及充電終止功能的選項。 散熱管理與故障保護 線(xiàn)性充電器中至系統電源總線(xiàn)的高輸入電壓差分可導致裸片溫度上升，甚至會(huì )超過(guò)最高的結點(diǎn)溫度值并引起熱損壞。為避免該問(wèn)題發(fā)生，此類(lèi)設計必須考慮使用包含了熱關(guān)斷及熱調節功能的穩健的散熱管理解決方案。 通常，所有集成充電器IC都必須具有內部熱關(guān)斷功能，一旦IC的內部結點(diǎn)溫度超過(guò)了最高結點(diǎn)溫度值，熱關(guān)斷功能將被觸發(fā)，以確保運行過(guò)程中不會(huì )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(shí)，熱關(guān)斷功能將被激活。在激活狀態(tài)下，熱關(guān)斷電路將關(guān)閉充電器功率級，以避免熱損壞。通常的熱關(guān)斷電路都具有設計上的滯后效應。當IC裸片溫度降低時(shí)，功率級才重新開(kāi)啟。裸片溫度會(huì )一直升高，直到熱關(guān)斷電路被再次激活。其散熱所維持時(shí)間可達數秒，維持時(shí)間取決于PCB的布局，該工作模式在以充電狀態(tài)LED指示時(shí)一般被稱(chēng)為“閃爍”(flashing)模式。 為解決此類(lèi)散熱問(wèn)題，可添加一個(gè)散熱環(huán)路，以降低充電電流并確保IC結點(diǎn)溫度低于熱關(guān)斷閾值。為bq2406X系列線(xiàn)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(xiàn)性充電器在輸入電壓過(guò)高的情況下，充電電流值可降至非常低。在此類(lèi)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(jìn)行檢測。為避免此問(wèn)題，bq2406X將在散熱環(huán)路激活時(shí)使終止功能關(guān)閉。 動(dòng)態(tài)計時(shí)器控制 充電安全計數器用于檢測故障條件，如果充電周期時(shí)長(cháng)超過(guò)正常狀態(tài)下所期望的總體時(shí)間，且充電電流等于額定的快速充電電流，則判斷出現故障。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(cháng)一段時(shí)間內被激活，那么故障安全計數器的故障狀態(tài)即可觀(guān)察得出。為避免錯誤狀態(tài)的發(fā)生，bq2406X充電器IC激活了動(dòng)態(tài)計時(shí)器控制(DTC)，這是一個(gè)內置電路，其通過(guò)編程調整計時(shí)終止輸出的時(shí)間值來(lái)降低安全計數器的時(shí)鐘效率。DTC電路將在散熱環(huán)路被激活時(shí)同時(shí)開(kāi)啟。
圖3：散熱環(huán)路在輸入電壓瞬變情況下的運行。 散熱調節功能以及DTC電路提供了穩健的散熱管理及故障保護方法，以保護充電器級和系統免遭瞬變或其他過(guò)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(chǎng)商之間存在著(zhù)激烈的競爭，并且在不斷進(jìn)行創(chuàng )新，差異化也在加強。隨著(zhù)便攜式設備所安置的使用環(huán)境越來(lái)越嚴苛(例如，在炎熱的夏日將電話(huà)放置在汽車(chē)內充電，或是插入了廉價(jià)的配件或錯誤的適配器)，終端用戶(hù)將繼續面對在穩健性及穩定性方面便攜式設備所帶來(lái)的挑戰。一類(lèi)產(chǎn)品與其他產(chǎn)品的主要區別體現在出現上述不希望出現的狀態(tài)時(shí)，設備的穩定性、可靠性以及穩健性的不同。bq2406X產(chǎn)品系列具有獨特的輸入過(guò)電壓保護、散熱調節以及DTC功能，造就了一款穩健的系統設計以解決這些問(wèn)題。 系統設計工程師的職責就在于將此類(lèi)因素納入考慮，以確保其產(chǎn)品更智能、更穩健，以使其產(chǎn)品在眾多的產(chǎn)品中獨樹(shù)一幟，而不是“泯然眾人”。 作者：TI公司Pavan Pudipeddi Pavan Pudipeddi is a product manager for Texas Instruments' Battery Charge Management Group. Pavan is responsible for defining next generation Battery Charger ICs for Mobile phones, Smartphones, portable media players and other high volume consumer products. Pavan has more than 8 years experience in the semiconductor industry and has held positions in engineering, product definition and strategic marketing. He holds a BS degree in electrical engineering and an MS degree in Computer Science. He can be reached at pudipeddi@ti.com. |
