安森美新開關電池充電方案應對便攜設備充電挑戰(zhàn)

    近年來，智能手機、平板電腦等便攜設備市場強勁發(fā)展，更大尺寸的屏幕日漸流行，消費者對應用處理器、圖形處理器及外設的電源管理體驗的要求越來越高。這些促使便攜設備采用更大容量的電池，如一些最新智能手機配備了2000 mAh甚至達3000 mAh電池，電池生態(tài)系統(tǒng)趨勢也隨之發(fā)生了重大變化。
    此外，許多便攜設備的輸入連接也從專有方案轉為微型USB插口；USB供電(rev 1.0 Jul 2012) 標準的發(fā)布，更能適應最新的便攜設備USB端口的供電要求。這些都迫切需要既可提高能效又滿足上述要求的技術解決方案。推動高能效創(chuàng)新的安森美半導體新推出了NCP185x系列開關電池充電方案，幫助設計工程師應對便攜設備大容量電池的快速充電挑戰(zhàn)，并幫助優(yōu)化用戶體驗。     電池充放電管理在便攜設備設計的合理性和可靠性方面至關重要。電池充放電的挑戰(zhàn)之一是需要強固性、高能效及快速充電時間來滿足當今高性能、空間受限型應用的要求。而大容量電池需要更大的充電電流來縮短充電時間。
    傳統(tǒng)線性電池充電方式(包括脈沖方式)在大電流下存在效率較低、發(fā)熱量大等問題。與線性解決方案相比，開關充電方案有明顯的優(yōu)勢，如可從輸入轉換更多的電能至輸出；工作能效更高，可降低能耗及簡化手機設計；在輸入源受限時(如采用5 V，500 mA USB端口充電)，能提供更大的電流。綜合上述優(yōu)勢，開關電池充電器件的充電速度可比線性電池充電器快30%。
    由于手機等設備無法知道用戶使用的電源適配器或USB端口的負載電流能力，所以充電管理器件必須具有檢測適配器或USB端口負載電流的功能，以確保手機設備在安全電流條件下工作。在充電結束后，充電管理器件應斷開與系統(tǒng)的連接，系統(tǒng)從外部電源取電；只有當外部電源移出時，系統(tǒng)才從電池取電。
    安森美半導體的NCP185x系列開關電池充電器件就是一種新的充電技術。其充電過程迅速，具有自動輸入限流(AICL)功能；在充電結束時還可自動斷開電池連接，延長電池壽命。它可以提供更大的輸出電流，效率高達85％，發(fā)熱量小，實現(xiàn)更快、更安全高效的充電，有助于提升用戶體驗；還可以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，簡化系統(tǒng)設計。
    NCP185x系列在輸入源受限的情況下，采用符合100 mA、500 mA、900 mA或1.5 A USB充電規(guī)范的輸入電流限制器，利用自動檢測模式在最大充電電流時進行調(diào)整，使其適應輸入源的能力，并可縮短最少達10分鐘的總體充電時間。
充電結束時自動斷開電池連接，延長電池使用壽命
    不少用戶經(jīng)常抱怨電池壽命短，許多便攜系統(tǒng)的電池壽命在使用幾個月后就受到明顯影響，原因是電池在充電結束后還一直在充電。優(yōu)化電池總體壽命的方法是在充電結束時電池連接即自動斷開。安森美半導體NCP185x帶有充放電路徑管理功能，可以在系統(tǒng)充電結束時自動斷開電池連接，系統(tǒng)僅從外部帶有適配器或USB端口取電，僅在出現(xiàn)峰值電流活動(大于外部電源適配器所能提供的電流，如使用GSM)時，才導通電池與系統(tǒng)之間連接，短時間從系統(tǒng)補充電流，其他時間電池與系統(tǒng)保持管理。在外部電源連接情況下，系統(tǒng)優(yōu)先從外部適配器取電，以保存電池電量，延長電池使用時間，如圖2所示。
    如果使用不帶充放電路徑管理的器件，充電結束后，充電模塊關閉，系統(tǒng)開始從電池取電，電池電壓隨之降低，一旦電壓降低到一個門限值，充電周期重新開始，使電池經(jīng)常處于充放電、再充電循環(huán)之中，容易造成電池過早老化。
即時導通技術改善用戶體驗
    電池充電的另一個挑戰(zhàn)是需要改善用戶體驗。用戶時常有這樣的疑問：為什么電池電量低時我要充電5分鐘后系統(tǒng)才能導通系統(tǒng)？這是因為當用戶連接便攜設備充電的同時，通常也需要使用設備。令人尷尬的是，即使是最新型設備也要求約5分鐘的初始充電，然后才允許系統(tǒng)啟動及使用。如果采用雙路徑管理(DPM)技術，即可在插入充電線纜時立即導通便攜設備。
    NCP185x系列就應用了這樣的即時導通系統(tǒng)技術，由于器件內(nèi)集成的電流源可為電池充電，即使電池電壓非常低，當用戶插入電源適配器時，也可使系統(tǒng)電壓保持在3.6V，讓系統(tǒng)立即開啟，無需等待；另外，內(nèi)部集成的一個5 V升壓器支持USB On-The-Go(OTG)反向供電，或用于HDMI接口的DDC電壓供電，可以一邊安全地給電池充電，一邊單獨為系統(tǒng)供電，如圖3所示。當電池電壓達到3.4 V時預充電結束，外部充電MOS管導通，系統(tǒng)電壓跟隨電池電壓。傳統(tǒng)充電器在電池電量低時，電池需要預充電一段時間，等待電池電壓恢復到最低電壓以上才能開機。
     安森美半導體的器件還支持死電池激活。當電池電壓低于2.2 V時，開關充電器件提供10 mA小電流激活電池。此時系統(tǒng)仍可立即開機。
支持USB OTG附件
     對于平板電腦來說，通常需要支持USB OTG功能。USB OTG附件要求便攜設備在USB事務處理中充當USB主機，在VBUS線路上提供5 V輸出電壓，供外設使用；一些智能手機帶有HDMI輸出接口，也需要一個5 V DDC電壓。這通常要使用外部升壓直流-直流(DC-DC)轉換器將電池電壓升壓至5 V、500 mA的穩(wěn)壓電壓軌。NCP185x系列器件集成了一個5 V升壓器，能支持USB OTG附件或HDMI輸出接口，最大提供500 mA電流，并省去了一個外部升壓轉換器。NCP185x系列接地的ID引腳可以識別USB OTG附件，應用反向升壓轉換器來提供5 V、500 mA輸出，不僅可以支持USB OTG功能，還可以為物料單(BOM)節(jié)省1顆額外電感。
多管齊下保證設備的安全性
    另一個電池充電的挑戰(zhàn)是要保證設備安全性不受影響。NCP185x系列采用了多種安全措施來實現(xiàn)這一目標，包括正向及負向嵌入式過壓保護(OVP)、內(nèi)部結溫傳感器及管理，以及外部電池負溫度系數(shù)(NTC)及JEITA管理，而且可提供事件報告機制，將插入、過壓、過熱、過冷、充電周期狀態(tài)、充電開始、充電完成等報告給CPU進行相應處理。
    獨特的正向及負向過壓保護可防止新便攜設備受到過壓的損壞。線纜及充電器都是一般商品，在廉價的零配件市場就可以買到，出現(xiàn)故障的可能性很高。充電源可以是交流適配器(電壓達20 V)、計算機USB端口(通常12 V-20 V)、小汽車車載套件(典型值12 V)或卡車(典型值24 V)，因此只有強固的正向28 V過壓保護才可以保護設備的安全，且在上述所有應用場景下都提供足夠的裕量。NCP185x系列可提供+28 V過壓保護，可防止充電器故障或熱插拔時過高的浪涌電壓損壞開關充電器件；此外還有一種情況，在出現(xiàn)插口/連接器故障時，VIN和GND可能反向，NCP1852率先提供了-20 V OVP能力以幫助保護正在充電的手機。
    NCP185x系列具有電池溫度監(jiān)測功能，可監(jiān)測4個溫度區(qū)(根據(jù)JEITA規(guī)范)：冷＜+5℃，不充電；正常溫度+5℃至+45℃，滿額充電；熱＞45℃，降低充電電流；燙＞65℃，不充電，從而確保電池充電過程不會過熱、起火和爆炸。電池溫度監(jiān)測功能是完全可軟件編程的。
    NCP185x系列還可以將充電操作的變化或意料之外的故障報告給外部FLAG引腳，以便中斷充電；應用處理器可以通過I2C啟動充電控制及充電周期，且配合報告充電事件。
寬廣陣容的NCP185x系列應對不同需求
    安森美半導體提供豐富的開關電池充電器件產(chǎn)品陣容來應對便攜設備的充電挑戰(zhàn)。NCP185x系列目前包括的NCP1850、NCP1851和NCP1852三款產(chǎn)品都可以滿足這一要求，并又各有特色。今后，這系列產(chǎn)品還將增加更多產(chǎn)品，支持更大充電電流，配合用戶的更廣泛需求。
    其中，NCP1851是一款低高度、1.6 A、極具創(chuàng)新的開關電池充電器，允許使用功率有限的電源，如標準墻壁充電器和USB；NCP1852是首款帶+28V/-20V OVP的1.8A SBC，允許使用高功率墻壁充電器和USB等電源；NCP1850則是帶雙路徑的最小尺寸1.5 A SBC，允許以低系統(tǒng)成本使用標準墻充電器和USB等功率有限的電源。
    以NCP1851為例，它是一款完全可編程的鋰離子開關電池充電器件，可大幅縮短充電時間，延長電池使用時間，并增添了先進的啟動功能。該器件集成了動態(tài)電源路徑管理功能，在電池電量低的情況下能迅速導通系統(tǒng)，對已深度放電的電池充電。該器件的內(nèi)部結溫傳感器，以及外部負溫度系數(shù)熱敏電阻通過將專用中斷傳達給I2C控制總線來確保系統(tǒng)安全充電。NCP1851提供USB OTG模式，無需另一個升壓轉換器，即可將電源配件插入USB端口。NCP1851提供1.6 A充電能力，尺寸僅為2.2×2.55 mm，用于符合USB標準的最新輸入電源及大容量電池，能在90分鐘內(nèi)完成1,650 mAh、4.2 V鋰離子電池的完整充電周期。
    NCP1851與NCP185x系列的其他產(chǎn)品一樣，比競爭產(chǎn)品有更高的過壓保護能力、更大的充電電流，以及更大的USB OTG反向輸入電流能力，支持態(tài)路徑管理及電池激活功能。這些新器件所具有的快速充電時間性能及先進的功能組合，能以單芯片方案簡單地融入到最新USB充電設計中，為提升智能手機、平板電腦及其它手持設備(包括便攜醫(yī)療產(chǎn)品)的能效，實現(xiàn)這些產(chǎn)品的更高集成度、小型化、易用性、便攜性和耐久性提供了完善的解決方案，也使安森美半導體的開關電池充電器件贏得了更多主要客戶的青睞和采用。