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(she)計包(bao)含了以下特(te)性，則可實現一個強(qiang)健的(de)系統，適用于所有的(de)外(wai)部(bu)AC適配器：

　　抑制(zhi)瞬變(bian)電壓尖刺的保護

　　非穩壓適(shi)配(pei)器的輸(shu)出電壓特性

　　散熱管理及(ji)失效保(bao)護(hu)(hu)本文將探討(tao)在使用(yong)不(bu)同范圍的(de)(de)(de)(de)AC適配器(qi)(qi)時(shi)上(shang)述參數在系(xi)統(tong)(tong)層次上(shang)的(de)(de)(de)(de)影響(xiang)，并討(tao)論如何使用(yong)線性(xing)化的(de)(de)(de)(de)充(chong)(chong)電(dian)器(qi)(qi)（具(ju)有(you)諸如過壓(ya)保(bao)護(hu)(hu)、散熱調節及(ji)動態計時(shi)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)特(te)性(xing)）設計出更強(qiang)健(jian)的(de)(de)(de)(de)系(xi)統(tong)(tong)。文中還(huan)引(yin)用(yong)了(le)TI的(de)(de)(de)(de)bq2406X系(xi)列作為(wei)線性(xing)化充(chong)(chong)電(dian)器(qi)(qi)家族的(de)(de)(de)(de)示例，展(zhan)示了(le)一系(xi)列以(yi)滿(man)足(zu)以(yi)上(shang)要求為(wei)目(mu)的(de)(de)(de)(de)的(de)(de)(de)(de)線性(xing)充(chong)(chong)電(dian)器(qi)(qi)。

　　多種多樣(yang)的AC適配(pei)器

　　當(dang)今(jin)便攜式系統(tong)設計方面的(de)主要問題之一(yi)在(zai)于適(shi)應寬范圍輸入供(gong)電源(yuan)的(de)需求(qiu)，例如AC適(shi)配(pei)(pei)(pei)器(qi)(qi)、USB纜(lan)線或(huo)車載/空載的(de)直(zhi)流(liu)輸出。將(jiang)適(shi)配(pei)(pei)(pei)器(qi)(qi)以低廉的(de)價(jia)格(ge)推向市場，取(qu)代了(le)原(yuan)本昂貴的(de)原(yuan)廠(OEM)適(shi)配(pei)(pei)(pei)器(qi)(qi)，從而(er)促(cu)進了(le)眾(zhong)多供(gong)應商的(de)開發歷程，使可(ke)(ke)充電便攜式設備獲得了(le)廣泛(fan)的(de)成就。此類最流(liu)行的(de)供(gong)電源(yuan)，如交流(liu)適(shi)配(pei)(pei)(pei)器(qi)(qi)，通常可(ke)(ke)根據(ju)其特性劃(hua)分為兩部分：穩(wen)壓適(shi)配(pei)(pei)(pei)器(qi)(qi)(regulated adaptor)，典(dian)(dian)型的(de)OEM適(shi)配(pei)(pei)(pei)器(qi)(qi)；非穩(wen)壓適(shi)配(pei)(pei)(pei)器(qi)(qi)(unregulated adaptor)，典(dian)(dian)型的(de)配(pei)(pei)(pei)件供(gong)貨適(shi)配(pei)(pei)(pei)器(qi)(qi)。

　　穩壓(ya)(ya)適配器(qi)的(de)(de)(de)輸出電(dian)壓(ya)(ya)通(tong)過(guo)(guo)內置(zhi)電(dian)路(lu)提供(gong)(gong)非常優良的(de)(de)(de)線路(lu)及(ji)負(fu)(fu)載調節。而相反的(de)(de)(de)，非穩壓(ya)(ya)適配器(qi)所(suo)提供(gong)(gong)的(de)(de)(de)輸出電(dian)壓(ya)(ya)則(ze)取(qu)決于負(fu)(fu)載，線路(lu)負(fu)(fu)載調節能力不強(qiang)。適配器(qi)在過(guo)(guo)電(dian)流狀態下的(de)(de)(de)行為也有(you)所(suo)差(cha)別。穩壓(ya)(ya)適配器(qi)在進入過(guo)(guo)電(dian)流區域時通(tong)常具(ju)有(you)更為陡(dou)峭的(de)(de)(de)過(guo)(guo)渡區(transition region)，如圖(tu)1所(suo)示(shi)。

　　圖1：穩壓及非穩壓型AC適(shi)配器的特(te)性(xing)

　　輸入(ru)瞬變及過電壓狀態(tai)

　　現今的便攜式設備設計于通(tong)過上述類型的適配器進行供(gong)電(dian)，必須整合保護功能，以使得過電(dian)壓狀(zhuang)態(tai)下終端設備的風(feng)險(xian)最(zui)小化。過電(dian)壓狀(zhuang)態(tai)可(ke)分類為兩種模式：直(zhi)流(liu)過電(dian)壓以及(ji)瞬變過電(dian)壓。

　　通(tong)常情況下，直(zhi)流過(guo)電(dian)壓(ya)(ya)源于所插(cha)入的(de)配件(jian)供貨或非標準適配器(qi)上錯誤的(de)輸出電(dian)壓(ya)(ya)。另一方(fang)面(mian)，瞬(shun)變過(guo)電(dian)壓(ya)(ya)則發生于終端設(she)備熱插(cha)入適配器(qi)的(de)瞬(shun)間。瞬(shun)變過(guo)電(dian)壓(ya)(ya)可(ke)輕易(yi)的(de)達到2倍的(de)正常適配器(qi)輸出電(dian)壓(ya)(ya)，如(ru)圖2所示。

　　圖2：5V、1A適(shi)配器（1uF及10uF輸入(ru)電(dian)容狀態(tai)下）的(de)熱插入(ru)瞬變(bian)特性

　　在(zai)適當(dang)設計時(shi)，充電(dian)(dian)(dian)(dian)器(qi)級(ji)可用于將電(dian)(dian)(dian)(dian)池和系統與(yu)外部(bu)供電(dian)(dian)(dian)(dian)源隔離(li)，如圖3所示。在(zai)此類拓(tuo)撲中，電(dian)(dian)(dian)(dian)池組及系統的(de)正極終端被連接至充電(dian)(dian)(dian)(dian)級(ji)的(de)輸出。充電(dian)(dian)(dian)(dian)器(qi)功(gong)率級(ji)有效(xiao)的(de)隔離(li)了外部(bu)適配(pei)器(qi)與(yu)系統供電(dian)(dian)(dian)(dian)總(zong)線。

　　圖3：充電(dian)器級將外部供電(dian)源(yuan)與(yu)電(dian)池(chi)和(he)系統隔離

　　如(ru)圖3所(suo)示的(de)(de)拓撲可(ke)實現強健的(de)(de)設(she)計，其(qi)充電(dian)器級整合了輸入過電(dian)壓(ya)保護(OVP)功能，可(ke)監測(ce)(ce)輸入電(dian)壓(ya)并在(zai)探測(ce)(ce)到直流過電(dian)壓(ya)狀(zhuang)態時(shi)使(shi)充電(dian)器級失效。當充電(dian)器級失效時(shi)，系(xi)統(tong)的(de)(de)供(gong)電(dian)總線與適配(pei)器的(de)(de)輸出完全(quan)隔離。對(dui)于5V的(de)(de)穩(wen)壓(ya)適配(pei)器，輸入過電(dian)壓(ya)保護限制通常設(she)定為6.5V。bq2406X系(xi)列提供(gong)了6.5V及10.5V的(de)(de)選(xuan)項以同(tong)時(shi)適應于穩(wen)壓(ya)及非(fei)穩(wen)壓(ya)型的(de)(de)適配(pei)器。

　　為隔離并保護系統及(ji)電(dian)池(chi)免受外部電(dian)源瞬變過電(dian)壓(ya)(ya)狀態的損害，充電(dian)器級應具有約(yue)2倍于一般額定適配器電(dian)壓(ya)(ya)的輸入電(dian)壓(ya)(ya)限定范圍。

　　需要注意的(de)(de)是(shi)，在(zai)(zai)上述(shu)所討論的(de)(de)拓撲中，若最小化系(xi)(xi)統(tong)電(dian)(dian)流(liu)（例(li)如待(dai)機(ji)[stand-by]模式下）高(gao)于結(jie)束(termination)電(dian)(dian)流(liu)限，則可能(neng)(neng)產生潛在(zai)(zai)的(de)(de)鎖定(ding)(lock out)狀(zhuang)態。在(zai)(zai)系(xi)(xi)統(tong)電(dian)(dian)流(liu)超過結(jie)束電(dian)(dian)流(liu)限之時(shi)，終(zhong)止(zhi)將無(wu)法(fa)進行(xing)檢(jian)測。安全計(ji)時(shi)器(qi)將被激活，充電(dian)(dian)器(qi)級將在(zai)(zai)電(dian)(dian)池(chi)充至滿容量之前就掉電(dian)(dian)(power down)。為(wei)解決(jue)該潛在(zai)(zai)的(de)(de)問(wen)題，bq2406X系(xi)(xi)列針對設備在(zai)(zai)電(dian)(dian)池(chi)充電(dian)(dian)器(qi)開(kai)啟時(shi)高(gao)功率模式，提供了(le)失效及安全計(ji)時(shi)器(qi)選項，以及充電(dian)(dian)終(zhong)止(zhi)功能(neng)(neng)。

　　散熱管(guan)理及失(shi)效保(bao)護

　　線(xian)性化充電器(qi)中至系(xi)統供電總線(xian)的(de)高輸入電壓差分將(jiang)導致芯片溫(wen)度上升，乃至超過最大(da)結點溫(wen)度(junction temperature)值并產生熱燒毀。為避免該問題，此類設計必須考(kao)慮強健的(de)散熱管理配置，同時包括了(le)熱關斷(thermal shutdown)及熱調(diao)節(thermal regulation)。

　　依照一般的(de)(de)規則，所(suo)有(you)的(de)(de)集成(cheng)充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)器IC都(dou)必(bi)須(xu)具有(you)熱(re)關(guan)斷(duan)，一旦IC的(de)(de)內部(bu)結點(dian)溫(wen)度(du)(du)超過最大結點(dian)溫(wen)度(du)(du)值，熱(re)關(guan)斷(duan)將(jiang)被觸發，以確保運轉(zhuan)過程中不會產(chan)生熱(re)燒毀(hui)。在(zai)典(dian)型(xing)的(de)(de)應(ying)(ying)用(yong)中，當充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流1A而充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)壓高于(yu)電(dian)(dian)池電(dian)(dian)壓2-3V時，熱(re)關(guan)斷(duan)將(jiang)被激(ji)活。激(ji)活狀(zhuang)態下，熱(re)關(guan)斷(duan)電(dian)(dian)路(lu)將(jiang)關(guan)閉充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)器功(gong)率級，以避免(mian)熱(re)燒毀(hui)。通常(chang)的(de)(de)熱(re)關(guan)斷(duan)電(dian)(dian)路(lu)都(dou)具有(you)設(she)計上的(de)(de)滯后效應(ying)(ying)。當芯(xin)片溫(wen)度(du)(du)降低，功(gong)率級方可(ke)重新開啟。若(ruo)芯(xin)片溫(wen)度(du)(du)再(zai)度(du)(du)上升，熱(re)關(guan)斷(duan)電(dian)(dian)路(lu)將(jiang)再(zai)次被觸發。其散熱(re)所(suo)維持(chi)時間(jian)可(ke)達數秒，取(qu)決(jue)于(yu)PCB的(de)(de)布(bu)板，此類工(gong)作(zuo)模(mo)式在(zai)以充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)狀(zhuang)態LED指示時一般被稱為“閃(shan)光(guang)”（"flashing"）模(mo)式。

　　為解決此類散(san)熱(re)問題(ti)，可(ke)添(tian)加(jia)一個散(san)熱(re)回路，以降(jiang)低(di)充(chong)電(dian)電(dian)流(liu)，確(que)保IC結點溫度(du)低(di)于熱(re)關斷限。如(ru)圖3所示(shi)，bq2406X系列線性化充(chong)電(dian)器添(tian)加(jia)了(le)散(san)熱(re)回路以支持運轉。散(san)熱(re)回路在激活狀態下可(ke)有效的降(jiang)低(di)充(chong)電(dian)電(dian)流(liu)，降(jiang)低(di)充(chong)電(dian)器級供電(dian)MOSFET的功耗(hao)。

　　圖4：散熱(re)回路在輸入(ru)電(dian)壓瞬變(bian)情(qing)況下的(de)運轉(zhuan)

　　需要注意到，具(ju)有散熱(re)回(hui)路(lu)的(de)線(xian)性化充電(dian)器在(zai)(zai)輸入電(dian)壓過高的(de)情況(kuang)下，充電(dian)電(dian)流(liu)可降至(zhi)非常低的(de)值。在(zai)(zai)此類狀(zhuang)況(kuang)下，失效終止(false termination)可針對充電(dian)電(dian)流(liu)是(shi)否降至(zhi)低于結束限進行檢測。為避免(mian)此問(wen)題(ti)，bq2406X將在(zai)(zai)散熱(re)回(hui)路(lu)激活(huo)時使終止失效。

　　動態計時器控制

　　充(chong)電(dian)(dian)安全計數(shu)器用于檢測失(shi)效(xiao)狀態，如(ru)果充(chong)電(dian)(dian)周期(qi)(qi)持(chi)續超過正(zheng)常(chang)狀態下所期(qi)(qi)望的總體時(shi)(shi)間，且充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流等(deng)于額定的快速充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流，則判斷失(shi)效(xiao)。在散(san)(san)熱回(hui)路(lu)激(ji)活(huo)(huo)(huo)狀態下，充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流降低。若是散(san)(san)熱回(hui)路(lu)在較長的一段時(shi)(shi)間內被激(ji)活(huo)(huo)(huo)，那(nei)么失(shi)效(xiao)安全計數(shu)器的錯誤(wu)狀態即(ji)可觀察得(de)出(chu)(chu)。為避免不期(qi)(qi)望的錯誤(wu)狀態，bq2406X充(chong)電(dian)(dian)器IC采用了動態計時(shi)(shi)器控制(DTC)，其(qi)內置電(dian)(dian)路(lu)通過編程調整計時(shi)(shi)終止輸出(chu)(chu)的時(shi)(shi)間值，降低安全計數(shu)器的時(shi)(shi)鐘效(xiao)率。DTC電(dian)(dian)路(lu)將在散(san)(san)熱回(hui)路(lu)被激(ji)活(huo)(huo)(huo)時(shi)(shi)同時(shi)(shi)啟動。

　　散(san)熱(re)調節(jie)功能，并結合DTC電路，提供了強健的(de)(de)散(san)熱(re)管理及失效保護配置，以保護充電器級和系統免遭瞬變或(huo)其它過電壓狀態所造(zao)成的(de)(de)散(san)熱(re)錯誤。

　　在(zai)(zai)此(ci)(ci)所討論的(de)(de)便(bian)攜式(shi)(shi)設備(bei)在(zai)(zai)廠(chang)商之間存在(zai)(zai)著激(ji)烈的(de)(de)競(jing)爭，且持續著革新及(ji)(ji)差(cha)異化(hua)。隨著便(bian)攜式(shi)(shi)設備(bei)所安置的(de)(de)使(shi)用環(huan)境越來(lai)越嚴苛--例(li)如，在(zai)(zai)炎熱的(de)(de)夏日將(jiang)電話放置在(zai)(zai)汽車內(nei)充電，或(huo)是插入了廉價的(de)(de)配件(jian)供貨或(huo)錯誤的(de)(de)適(shi)配器--終端用戶(hu)將(jiang)延續其(qi)(qi)在(zai)(zai)強健性(xing)及(ji)(ji)穩定性(xing)方(fang)面對便(bian)攜式(shi)(shi)設備(bei)的(de)(de)挑戰(zhan)。一類產品(pin)(pin)與其(qi)(qi)它(ta)產品(pin)(pin)的(de)(de)主要區別體現(xian)在(zai)(zai)當出現(xian)上(shang)述不期望的(de)(de)狀態時，設備(bei)的(de)(de)穩定性(xing)、可靠性(xing)以及(ji)(ji)強健性(xing)。系(xi)統設計工程師的(de)(de)職責即(ji)在(zai)(zai)于將(jiang)此(ci)(ci)類因素納入考慮(lv)，以確保其(qi)(qi)產品(pin)(pin)更智能、更強且更健壯，以使(shi)其(qi)(qi)產品(pin)(pin)在(zai)(zai)為數眾多的(de)(de)產品(pin)(pin)中獨樹一幟(as "The" one)，而不是“泯(min)然眾人矣”(as "A" one)。