現今成就卓著的便攜式設備，諸如智能電話、PDA以及便攜式媒體播放器越來越多的應用鋰離子(Li-ION)電池。此類可充電電池的高需求量促使眾多的第三方供應商不斷開發出諸如充電座(charging cradle)及充電適配器等附件。此類充電適配器價格低廉，但充電特性及保護功能往往與原廠的OEM適配器有所差別，將會影響到總體的系統性能及可靠性。如果充電器級的(de)設計(ji)包含(han)了以下特性(xing)，則可實(shi)現(xian)一個強(qiang)健的(de)系統，適(shi)用于(yu)所有的(de)外部AC適(shi)配器：

　　抑制瞬變電壓尖刺的保護

　　非穩(wen)壓適配器的輸出電壓特性

　　散(san)熱(re)管理及失(shi)效保(bao)護本文將探討在使用不同范圍的(de)(de)AC適配器時(shi)上(shang)述(shu)參數在系(xi)(xi)統層次上(shang)的(de)(de)影響(xiang)，并討論如(ru)何使用線(xian)性(xing)化(hua)的(de)(de)充(chong)(chong)(chong)電器（具有(you)諸如(ru)過壓保(bao)護、散(san)熱(re)調節(jie)及動態計時(shi)器的(de)(de)特性(xing)）設計出更強(qiang)健的(de)(de)系(xi)(xi)統。文中還引用了TI的(de)(de)bq2406X系(xi)(xi)列作為(wei)線(xian)性(xing)化(hua)充(chong)(chong)(chong)電器家族的(de)(de)示(shi)例，展示(shi)了一系(xi)(xi)列以滿足以上(shang)要求為(wei)目(mu)的(de)(de)的(de)(de)線(xian)性(xing)充(chong)(chong)(chong)電器。

　　多(duo)(duo)種多(duo)(duo)樣的AC適配器

　　當今便攜式(shi)系統設計方(fang)面的(de)(de)主要問(wen)題之一(yi)在于適(shi)應寬(kuan)范圍輸(shu)入供電(dian)源的(de)(de)需(xu)求，例(li)如AC適(shi)配(pei)(pei)(pei)器(qi)(qi)(qi)(qi)、USB纜線或車載(zai)/空(kong)載(zai)的(de)(de)直流輸(shu)出。將適(shi)配(pei)(pei)(pei)器(qi)(qi)(qi)(qi)以低廉的(de)(de)價格推向市(shi)場，取代(dai)了(le)原本昂貴的(de)(de)原廠(OEM)適(shi)配(pei)(pei)(pei)器(qi)(qi)(qi)(qi)，從(cong)而促進了(le)眾(zhong)多供應商(shang)的(de)(de)開發歷程，使可充電(dian)便攜式(shi)設備獲得了(le)廣泛的(de)(de)成(cheng)就。此(ci)類最流行的(de)(de)供電(dian)源，如交(jiao)流適(shi)配(pei)(pei)(pei)器(qi)(qi)(qi)(qi)，通(tong)常可根據其特性劃分為兩部分：穩壓適(shi)配(pei)(pei)(pei)器(qi)(qi)(qi)(qi)(regulated adaptor)，典型的(de)(de)OEM適(shi)配(pei)(pei)(pei)器(qi)(qi)(qi)(qi)；非(fei)穩壓適(shi)配(pei)(pei)(pei)器(qi)(qi)(qi)(qi)(unregulated adaptor)，典型的(de)(de)配(pei)(pei)(pei)件(jian)供貨適(shi)配(pei)(pei)(pei)器(qi)(qi)(qi)(qi)。

　　穩壓(ya)適(shi)(shi)(shi)配器(qi)的(de)(de)輸(shu)出電(dian)(dian)壓(ya)通過內置(zhi)電(dian)(dian)路(lu)(lu)提(ti)供(gong)非常優良的(de)(de)線路(lu)(lu)及負載調節(jie)。而相反的(de)(de)，非穩壓(ya)適(shi)(shi)(shi)配器(qi)所提(ti)供(gong)的(de)(de)輸(shu)出電(dian)(dian)壓(ya)則(ze)取決于(yu)負載，線路(lu)(lu)負載調節(jie)能(neng)力不強。適(shi)(shi)(shi)配器(qi)在過電(dian)(dian)流狀態(tai)下的(de)(de)行為也有所差別。穩壓(ya)適(shi)(shi)(shi)配器(qi)在進入過電(dian)(dian)流區域時通常具有更為陡峭的(de)(de)過渡區(transition region)，如圖1所示。

　　圖1：穩(wen)壓及非穩(wen)壓型AC適配(pei)器的特性

　　輸入瞬變及過電壓狀態(tai)

　　現今(jin)的便攜式設備(bei)設計于通(tong)過上述類型的適(shi)配器進行供電，必須(xu)整合保護(hu)功能，以(yi)使(shi)得過電壓狀(zhuang)(zhuang)態下終(zhong)端設備(bei)的風險最小(xiao)化(hua)。過電壓狀(zhuang)(zhuang)態可分類為兩種模式：直流過電壓以(yi)及瞬變(bian)過電壓。

　　通(tong)常(chang)情況下，直流過電(dian)(dian)壓(ya)源于所插入的(de)配(pei)件供貨或(huo)非標(biao)準適(shi)配(pei)器上錯誤的(de)輸出(chu)電(dian)(dian)壓(ya)。另一方面，瞬(shun)(shun)變過電(dian)(dian)壓(ya)則發生于終端設備熱插入適(shi)配(pei)器的(de)瞬(shun)(shun)間。瞬(shun)(shun)變過電(dian)(dian)壓(ya)可輕易(yi)的(de)達到2倍的(de)正(zheng)常(chang)適(shi)配(pei)器輸出(chu)電(dian)(dian)壓(ya)，如圖(tu)2所示(shi)。

　　圖2：5V、1A適配(pei)器（1uF及10uF輸入電容(rong)狀態下(xia)）的熱插入瞬變(bian)特(te)性

　　在(zai)適當(dang)設計時(shi)，充電(dian)器級(ji)可用(yong)于(yu)將電(dian)池(chi)和系統與外部(bu)供電(dian)源隔離，如圖3所示。在(zai)此(ci)類拓撲中，電(dian)池(chi)組及(ji)系統的(de)(de)正極終端被連(lian)接至(zhi)充電(dian)級(ji)的(de)(de)輸出。充電(dian)器功率級(ji)有效(xiao)的(de)(de)隔離了外部(bu)適配器與系統供電(dian)總線。

　　圖3：充電器級(ji)將外部供電源與電池(chi)和系統隔離(li)

　　如圖3所示的(de)拓撲可實現強健(jian)的(de)設計，其充電(dian)器(qi)(qi)級(ji)整合了輸入(ru)過(guo)電(dian)壓保護(hu)(OVP)功(gong)能，可監測輸入(ru)電(dian)壓并在探測到直流過(guo)電(dian)壓狀態(tai)時使充電(dian)器(qi)(qi)級(ji)失(shi)效。當充電(dian)器(qi)(qi)級(ji)失(shi)效時，系(xi)(xi)統的(de)供電(dian)總線與適(shi)(shi)配器(qi)(qi)的(de)輸出完全隔離。對(dui)于(yu)5V的(de)穩(wen)壓適(shi)(shi)配器(qi)(qi)，輸入(ru)過(guo)電(dian)壓保護(hu)限制通常設定為6.5V。bq2406X系(xi)(xi)列提供了6.5V及(ji)10.5V的(de)選項以(yi)同時適(shi)(shi)應于(yu)穩(wen)壓及(ji)非穩(wen)壓型的(de)適(shi)(shi)配器(qi)(qi)。

　　為隔離并(bing)保護系統及電(dian)(dian)(dian)池(chi)免受外(wai)部電(dian)(dian)(dian)源瞬變過電(dian)(dian)(dian)壓狀態的損害(hai)，充電(dian)(dian)(dian)器(qi)級應具有約2倍(bei)于一般額定(ding)適配(pei)器(qi)電(dian)(dian)(dian)壓的輸入(ru)電(dian)(dian)(dian)壓限定(ding)范(fan)圍。

　　需要注(zhu)意的(de)是，在(zai)上述(shu)所(suo)討論(lun)的(de)拓(tuo)撲中(zhong)，若(ruo)最小化系統(tong)電流(liu)（例如待機[stand-by]模式下）高于結束(shu)(termination)電流(liu)限，則可能產生(sheng)潛在(zai)的(de)鎖定(ding)(lock out)狀態。在(zai)系統(tong)電流(liu)超(chao)過結束(shu)電流(liu)限之時(shi)，終(zhong)止將無法進行檢(jian)測。安全計(ji)時(shi)器(qi)將被激活，充(chong)電器(qi)級將在(zai)電池充(chong)至滿容量之前就掉(diao)電(power down)。為(wei)解(jie)決該潛在(zai)的(de)問題，bq2406X系列針(zhen)對設備在(zai)電池充(chong)電器(qi)開啟時(shi)高功率(lv)模式，提(ti)供(gong)了失效及(ji)安全計(ji)時(shi)器(qi)選項，以及(ji)充(chong)電終(zhong)止功能。

　　散熱(re)管理(li)及(ji)失效保護(hu)

　　線性化充電(dian)器中至(zhi)系統供(gong)電(dian)總(zong)線的(de)高輸入電(dian)壓差分(fen)將導致芯片(pian)溫度上升，乃至(zhi)超過最大(da)結(jie)點溫度(junction temperature)值(zhi)并產(chan)生熱(re)(re)燒(shao)毀。為避免該問題(ti)，此(ci)類設計必須考慮強健的(de)散熱(re)(re)管理配置，同時包括了熱(re)(re)關斷(thermal shutdown)及(ji)熱(re)(re)調節(thermal regulation)。

　　依(yi)照一(yi)般(ban)的(de)(de)(de)規則(ze)，所(suo)有的(de)(de)(de)集成充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)器(qi)IC都必須具有熱(re)(re)(re)關(guan)斷(duan)，一(yi)旦IC的(de)(de)(de)內部結點溫(wen)度(du)(du)超過最大(da)結點溫(wen)度(du)(du)值，熱(re)(re)(re)關(guan)斷(duan)將(jiang)(jiang)被觸(chu)發，以(yi)(yi)確保(bao)運轉(zhuan)過程中不會產生熱(re)(re)(re)燒毀。在典型的(de)(de)(de)應用(yong)中，當充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流1A而充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓高于(yu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓2-3V時，熱(re)(re)(re)關(guan)斷(duan)將(jiang)(jiang)被激活。激活狀態下，熱(re)(re)(re)關(guan)斷(duan)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)將(jiang)(jiang)關(guan)閉充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)器(qi)功(gong)率(lv)級，以(yi)(yi)避免熱(re)(re)(re)燒毀。通常(chang)的(de)(de)(de)熱(re)(re)(re)關(guan)斷(duan)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)都具有設計上(shang)的(de)(de)(de)滯后效應。當芯(xin)片溫(wen)度(du)(du)降(jiang)低，功(gong)率(lv)級方(fang)可重新(xin)開啟。若芯(xin)片溫(wen)度(du)(du)再(zai)度(du)(du)上(shang)升，熱(re)(re)(re)關(guan)斷(duan)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)將(jiang)(jiang)再(zai)次(ci)被觸(chu)發。其散熱(re)(re)(re)所(suo)維持時間(jian)可達數秒，取決(jue)于(yu)PCB的(de)(de)(de)布板(ban)，此(ci)類(lei)工作(zuo)模式(shi)在以(yi)(yi)充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)狀態LED指示時一(yi)般(ban)被稱為“閃光”（"flashing"）模式(shi)。

　　為解決此類散(san)熱(re)問題，可(ke)添加(jia)(jia)一個(ge)散(san)熱(re)回路(lu)，以降低(di)充電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)，確保IC結(jie)點溫度(du)低(di)于熱(re)關斷限。如(ru)圖3所(suo)示(shi)，bq2406X系列線性(xing)化充電(dian)(dian)(dian)(dian)器添加(jia)(jia)了散(san)熱(re)回路(lu)以支持運轉。散(san)熱(re)回路(lu)在激(ji)活狀態下可(ke)有效的(de)降低(di)充電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)，降低(di)充電(dian)(dian)(dian)(dian)器級(ji)供電(dian)(dian)(dian)(dian)MOSFET的(de)功耗。

　　圖4：散熱回路在輸入(ru)電壓(ya)瞬變情況下(xia)的運轉

　　需(xu)要注意到，具有散熱(re)回路的(de)(de)(de)線性化充(chong)電器(qi)在輸入電壓過高的(de)(de)(de)情況下(xia)(xia)，充(chong)電電流可降(jiang)至(zhi)(zhi)非常低的(de)(de)(de)值。在此(ci)類狀(zhuang)況下(xia)(xia)，失效終(zhong)止(zhi)(false termination)可針對充(chong)電電流是否(fou)降(jiang)至(zhi)(zhi)低于(yu)結束限進行檢(jian)測。為避免此(ci)問(wen)題，bq2406X將(jiang)在散熱(re)回路激活(huo)時使(shi)終(zhong)止(zhi)失效。

　　動態計時器控制

　　充(chong)電(dian)(dian)安(an)全(quan)計數(shu)器(qi)(qi)用于檢測失效狀態，如(ru)果充(chong)電(dian)(dian)周期持(chi)續超(chao)過正常狀態下所期望的總體時(shi)(shi)(shi)間(jian)，且充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流(liu)等于額定的快速充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流(liu)，則判斷失效。在散(san)熱回(hui)路(lu)激(ji)活(huo)狀態下，充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流(liu)降(jiang)低(di)。若是(shi)散(san)熱回(hui)路(lu)在較長的一(yi)段時(shi)(shi)(shi)間(jian)內被激(ji)活(huo)，那么失效安(an)全(quan)計數(shu)器(qi)(qi)的錯誤狀態即可(ke)觀察得出(chu)。為避免不期望的錯誤狀態，bq2406X充(chong)電(dian)(dian)器(qi)(qi)IC采用了動態計時(shi)(shi)(shi)器(qi)(qi)控制(DTC)，其內置電(dian)(dian)路(lu)通過編(bian)程調整計時(shi)(shi)(shi)終止(zhi)輸出(chu)的時(shi)(shi)(shi)間(jian)值，降(jiang)低(di)安(an)全(quan)計數(shu)器(qi)(qi)的時(shi)(shi)(shi)鐘效率。DTC電(dian)(dian)路(lu)將在散(san)熱回(hui)路(lu)被激(ji)活(huo)時(shi)(shi)(shi)同(tong)時(shi)(shi)(shi)啟動。

　　散(san)熱調節功(gong)能，并結合DTC電(dian)(dian)路(lu)，提供(gong)了強健的散(san)熱管理及失效保護配置(zhi)，以(yi)保護充電(dian)(dian)器(qi)級和系(xi)統免遭瞬變或其它過電(dian)(dian)壓狀態所造成的散(san)熱錯誤。

　　在(zai)(zai)此所(suo)討論的(de)(de)便(bian)攜(xie)式(shi)設(she)(she)備(bei)在(zai)(zai)廠商之間(jian)存在(zai)(zai)著(zhu)激烈(lie)的(de)(de)競爭(zheng)，且持續著(zhu)革新及(ji)差異化。隨著(zhu)便(bian)攜(xie)式(shi)設(she)(she)備(bei)所(suo)安置(zhi)的(de)(de)使(shi)用(yong)環(huan)境越(yue)來越(yue)嚴苛--例(li)如，在(zai)(zai)炎熱的(de)(de)夏日(ri)將電(dian)話放置(zhi)在(zai)(zai)汽(qi)車內充電(dian)，或(huo)是插(cha)入(ru)了廉價的(de)(de)配(pei)件供貨或(huo)錯誤的(de)(de)適(shi)配(pei)器--終端用(yong)戶將延續其(qi)在(zai)(zai)強健(jian)性及(ji)穩定(ding)性方面(mian)對便(bian)攜(xie)式(shi)設(she)(she)備(bei)的(de)(de)挑戰。一類產(chan)品(pin)(pin)與(yu)其(qi)它產(chan)品(pin)(pin)的(de)(de)主要區別(bie)體(ti)現在(zai)(zai)當出(chu)現上述(shu)不(bu)期望的(de)(de)狀態時，設(she)(she)備(bei)的(de)(de)穩定(ding)性、可靠(kao)性以(yi)(yi)及(ji)強健(jian)性。系統(tong)設(she)(she)計(ji)工程(cheng)師的(de)(de)職責即在(zai)(zai)于將此類因(yin)素納入(ru)考慮，以(yi)(yi)確保其(qi)產(chan)品(pin)(pin)更智能、更強且更健(jian)壯，以(yi)(yi)使(shi)其(qi)產(chan)品(pin)(pin)在(zai)(zai)為數眾多的(de)(de)產(chan)品(pin)(pin)中獨樹一幟(as "The" one)，而不(bu)是“泯(min)然眾人矣”(as "A" one)。