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(ji)的(de)設計(ji)包含(han)了以下(xia)特性，則可實現一個強(qiang)健的(de)系統(tong)，適用(yong)于所有的(de)外部AC適配器：

　　抑制瞬變電壓尖刺的保護(hu)

　　非穩(wen)壓適配器的輸(shu)出電壓特性

　　散熱管理及失(shi)效保(bao)護本文(wen)將探討(tao)在使(shi)用不同范圍的AC適配器(qi)時上(shang)述參數在系統(tong)層(ceng)次上(shang)的影響，并討(tao)論(lun)如(ru)何使(shi)用線(xian)性化的充電器(qi)（具有諸(zhu)如(ru)過壓保(bao)護、散熱調節及動(dong)態計(ji)時器(qi)的特性）設計(ji)出更強健的系統(tong)。文(wen)中還引用了TI的bq2406X系列作為(wei)線(xian)性化充電器(qi)家族的示(shi)例，展示(shi)了一系列以滿足以上(shang)要求為(wei)目的的線(xian)性充電器(qi)。

　　多種(zhong)多樣(yang)的AC適配器

　　當今便攜式系統設(she)計方面的(de)(de)主要問題(ti)之一在(zai)于適(shi)(shi)應寬范圍輸入供(gong)電源(yuan)的(de)(de)需求，例如AC適(shi)(shi)配器、USB纜線或車載/空載的(de)(de)直(zhi)流(liu)(liu)輸出。將適(shi)(shi)配器以低廉(lian)的(de)(de)價格(ge)推向市場(chang)，取(qu)代了(le)(le)原本昂貴的(de)(de)原廠(chang)(OEM)適(shi)(shi)配器，從而促進了(le)(le)眾多(duo)供(gong)應商的(de)(de)開發歷程，使可充電便攜式設(she)備獲(huo)得了(le)(le)廣泛(fan)的(de)(de)成就。此類最流(liu)(liu)行的(de)(de)供(gong)電源(yuan)，如交流(liu)(liu)適(shi)(shi)配器，通常(chang)可根據其特性劃分為兩部分：穩壓適(shi)(shi)配器(regulated adaptor)，典(dian)型的(de)(de)OEM適(shi)(shi)配器；非穩壓適(shi)(shi)配器(unregulated adaptor)，典(dian)型的(de)(de)配件供(gong)貨適(shi)(shi)配器。

　　穩(wen)壓(ya)適(shi)配器(qi)(qi)(qi)的輸(shu)出電壓(ya)通(tong)過(guo)內置電路提(ti)供(gong)非常優良的線(xian)路及負(fu)載(zai)(zai)調節。而相(xiang)反的，非穩(wen)壓(ya)適(shi)配器(qi)(qi)(qi)所提(ti)供(gong)的輸(shu)出電壓(ya)則取決于負(fu)載(zai)(zai)，線(xian)路負(fu)載(zai)(zai)調節能力不強。適(shi)配器(qi)(qi)(qi)在(zai)(zai)過(guo)電流(liu)狀態下的行為也有(you)所差別(bie)。穩(wen)壓(ya)適(shi)配器(qi)(qi)(qi)在(zai)(zai)進入過(guo)電流(liu)區(qu)域時通(tong)常具有(you)更為陡(dou)峭的過(guo)渡區(qu)(transition region)，如圖1所示(shi)。

　　圖1：穩壓及非穩壓型AC適配(pei)器的特性

　　輸入(ru)瞬變及過(guo)電壓狀態

　　現(xian)今(jin)的便攜式設(she)(she)備(bei)設(she)(she)計于通過上述類(lei)型的適配器(qi)進行供電，必須整(zheng)合保護功(gong)能，以(yi)(yi)使得過電壓狀態下終(zhong)端設(she)(she)備(bei)的風險最小化。過電壓狀態可分(fen)類(lei)為兩(liang)種模式：直流過電壓以(yi)(yi)及瞬變過電壓。

　　通常情況(kuang)下，直流過電壓(ya)(ya)源于所插入的配件供貨或非(fei)標準(zhun)適配器(qi)上錯誤(wu)的輸(shu)出電壓(ya)(ya)。另一方面，瞬(shun)變(bian)過電壓(ya)(ya)則發(fa)生(sheng)于終端設備熱插入適配器(qi)的瞬(shun)間(jian)。瞬(shun)變(bian)過電壓(ya)(ya)可輕易(yi)的達到2倍的正常適配器(qi)輸(shu)出電壓(ya)(ya)，如(ru)圖2所示。

　　圖2：5V、1A適配器(qi)（1uF及10uF輸(shu)入電(dian)容狀態下(xia)）的熱插入瞬變(bian)特(te)性

　　在(zai)適(shi)當設計時，充電(dian)(dian)器(qi)(qi)級可(ke)用(yong)于將電(dian)(dian)池和(he)系(xi)(xi)統與外(wai)部供(gong)電(dian)(dian)源(yuan)隔離，如圖3所示。在(zai)此(ci)類拓(tuo)撲中，電(dian)(dian)池組及系(xi)(xi)統的正極終端被連接(jie)至充電(dian)(dian)級的輸出(chu)。充電(dian)(dian)器(qi)(qi)功率級有效(xiao)的隔離了外(wai)部適(shi)配器(qi)(qi)與系(xi)(xi)統供(gong)電(dian)(dian)總線。

　　圖3：充電器級將外部供電源(yuan)與電池和(he)系統隔離(li)

　　如圖3所示的(de)拓撲可實現強(qiang)健的(de)設計，其充電(dian)(dian)器(qi)(qi)級整合了輸入(ru)(ru)過(guo)電(dian)(dian)壓保護(hu)(OVP)功能，可監(jian)測輸入(ru)(ru)電(dian)(dian)壓并在(zai)探測到直流過(guo)電(dian)(dian)壓狀態時使充電(dian)(dian)器(qi)(qi)級失(shi)效。當充電(dian)(dian)器(qi)(qi)級失(shi)效時，系(xi)統的(de)供電(dian)(dian)總線與(yu)適配器(qi)(qi)的(de)輸出完全隔離。對于(yu)5V的(de)穩壓適配器(qi)(qi)，輸入(ru)(ru)過(guo)電(dian)(dian)壓保護(hu)限(xian)制通常設定為6.5V。bq2406X系(xi)列(lie)提(ti)供了6.5V及(ji)10.5V的(de)選(xuan)項以同時適應于(yu)穩壓及(ji)非(fei)穩壓型(xing)的(de)適配器(qi)(qi)。

　　為(wei)隔離(li)并保護系(xi)統(tong)及(ji)電(dian)池免受外(wai)部電(dian)源(yuan)瞬變過電(dian)壓狀態(tai)的(de)損害，充電(dian)器級應具有約(yue)2倍于(yu)一(yi)般額定適配器電(dian)壓的(de)輸(shu)入電(dian)壓限定范(fan)圍。

　　需要注意的(de)是，在(zai)上述所討論的(de)拓撲中，若(ruo)最小化系統電(dian)(dian)流(liu)(liu)（例如待機[stand-by]模式下）高(gao)于結(jie)束(shu)(termination)電(dian)(dian)流(liu)(liu)限(xian)，則可能產生潛在(zai)的(de)鎖定(ding)(lock out)狀態。在(zai)系統電(dian)(dian)流(liu)(liu)超(chao)過結(jie)束(shu)電(dian)(dian)流(liu)(liu)限(xian)之(zhi)時(shi)，終止將無法進行檢測(ce)。安全計(ji)時(shi)器(qi)將被激(ji)活，充電(dian)(dian)器(qi)級將在(zai)電(dian)(dian)池(chi)充至滿(man)容量之(zhi)前就掉電(dian)(dian)(power down)。為解決該潛在(zai)的(de)問題，bq2406X系列針對設備在(zai)電(dian)(dian)池(chi)充電(dian)(dian)器(qi)開啟時(shi)高(gao)功率模式，提供(gong)了失效及安全計(ji)時(shi)器(qi)選項(xiang)，以及充電(dian)(dian)終止功能。

　　散熱管理及失效保護(hu)

　　線性化(hua)充電器中至系統(tong)供電總線的高輸入電壓差(cha)分將(jiang)導致芯片溫度(du)上(shang)升，乃至超過最大(da)結點溫度(du)(junction temperature)值并(bing)產生(sheng)熱(re)燒毀。為避免該問題，此(ci)類設計必須考慮(lv)強健的散熱(re)管理配置(zhi)，同時包括了熱(re)關斷(thermal shutdown)及熱(re)調節(thermal regulation)。

　　依照一般的(de)(de)規則，所(suo)有(you)的(de)(de)集成充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)器IC都(dou)必須具有(you)熱(re)(re)關斷(duan)(duan)(duan)，一旦IC的(de)(de)內部結點(dian)溫(wen)(wen)度(du)超(chao)過最(zui)大結點(dian)溫(wen)(wen)度(du)值，熱(re)(re)關斷(duan)(duan)(duan)將(jiang)被(bei)觸發，以(yi)確保運(yun)轉過程中不會(hui)產生熱(re)(re)燒毀。在典型的(de)(de)應用(yong)中，當充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流1A而(er)充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓高于電(dian)(dian)(dian)(dian)池電(dian)(dian)(dian)(dian)壓2-3V時(shi)，熱(re)(re)關斷(duan)(duan)(duan)將(jiang)被(bei)激活。激活狀(zhuang)態下，熱(re)(re)關斷(duan)(duan)(duan)電(dian)(dian)(dian)(dian)路將(jiang)關閉充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)器功率級，以(yi)避(bi)免熱(re)(re)燒毀。通常的(de)(de)熱(re)(re)關斷(duan)(duan)(duan)電(dian)(dian)(dian)(dian)路都(dou)具有(you)設計上的(de)(de)滯后(hou)效(xiao)應。當芯(xin)片(pian)溫(wen)(wen)度(du)降低，功率級方可重新開啟。若芯(xin)片(pian)溫(wen)(wen)度(du)再度(du)上升，熱(re)(re)關斷(duan)(duan)(duan)電(dian)(dian)(dian)(dian)路將(jiang)再次被(bei)觸發。其散(san)熱(re)(re)所(suo)維持時(shi)間可達數秒，取決于PCB的(de)(de)布板，此類工(gong)作(zuo)模式在以(yi)充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)狀(zhuang)態LED指(zhi)示時(shi)一般被(bei)稱為(wei)“閃光”（"flashing"）模式。

　　為解決此類散熱(re)問(wen)題，可(ke)添(tian)加一個散熱(re)回路，以降(jiang)(jiang)低(di)(di)充(chong)電電流，確保IC結點溫度低(di)(di)于熱(re)關斷限。如圖(tu)3所示，bq2406X系(xi)列線性化(hua)充(chong)電器添(tian)加了散熱(re)回路以支持運轉。散熱(re)回路在激活(huo)狀態下可(ke)有效(xiao)的(de)降(jiang)(jiang)低(di)(di)充(chong)電電流，降(jiang)(jiang)低(di)(di)充(chong)電器級供電MOSFET的(de)功耗。

　　圖4：散熱回路在(zai)輸入電壓瞬變情(qing)況下(xia)的運(yun)轉

　　需(xu)要注意到，具(ju)有散熱回(hui)路的(de)線性化充電(dian)器(qi)在(zai)輸(shu)入電(dian)壓過(guo)高的(de)情況(kuang)下，充電(dian)電(dian)流可降至非常低的(de)值。在(zai)此(ci)類狀(zhuang)況(kuang)下，失(shi)效終止(false termination)可針對(dui)充電(dian)電(dian)流是否(fou)降至低于結束(shu)限進行檢(jian)測。為(wei)避免(mian)此(ci)問(wen)題，bq2406X將在(zai)散熱回(hui)路激活(huo)時(shi)使終止失(shi)效。

　　動態計時器控制

　　充電安(an)全(quan)計(ji)數(shu)器(qi)用于檢測失(shi)效(xiao)狀態(tai)(tai)(tai)，如果(guo)充電周期持續(xu)超過正常狀態(tai)(tai)(tai)下所期望(wang)的(de)總(zong)體時(shi)(shi)(shi)間，且充電電流(liu)(liu)等于額定的(de)快(kuai)速充電電流(liu)(liu)，則(ze)判(pan)斷失(shi)效(xiao)。在散(san)熱回路(lu)(lu)(lu)激(ji)活狀態(tai)(tai)(tai)下，充電電流(liu)(liu)降低。若是(shi)散(san)熱回路(lu)(lu)(lu)在較長(chang)的(de)一段時(shi)(shi)(shi)間內(nei)被激(ji)活，那么失(shi)效(xiao)安(an)全(quan)計(ji)數(shu)器(qi)的(de)錯誤狀態(tai)(tai)(tai)即可觀察得出。為(wei)避免不(bu)期望(wang)的(de)錯誤狀態(tai)(tai)(tai)，bq2406X充電器(qi)IC采用了動(dong)態(tai)(tai)(tai)計(ji)時(shi)(shi)(shi)器(qi)控制(DTC)，其內(nei)置電路(lu)(lu)(lu)通過編程調(diao)整計(ji)時(shi)(shi)(shi)終止輸出的(de)時(shi)(shi)(shi)間值(zhi)，降低安(an)全(quan)計(ji)數(shu)器(qi)的(de)時(shi)(shi)(shi)鐘效(xiao)率。DTC電路(lu)(lu)(lu)將在散(san)熱回路(lu)(lu)(lu)被激(ji)活時(shi)(shi)(shi)同(tong)時(shi)(shi)(shi)啟動(dong)。

　　散(san)(san)(san)熱調(diao)節(jie)功能，并結合(he)DTC電路，提供了強健的(de)散(san)(san)(san)熱管理(li)及失效保(bao)(bao)護配置，以保(bao)(bao)護充電器級和系(xi)統(tong)免遭瞬變或其它過電壓狀態所造(zao)成的(de)散(san)(san)(san)熱錯誤。

　　在(zai)此(ci)所討(tao)論的便攜式設(she)(she)備(bei)在(zai)廠商之間(jian)存在(zai)著(zhu)激烈的競爭，且(qie)持續著(zhu)革新(xin)及差異化。隨著(zhu)便攜式設(she)(she)備(bei)所安置(zhi)的使(shi)用(yong)環境越來越嚴苛(ke)--例如，在(zai)炎熱的夏日(ri)將電話放(fang)置(zhi)在(zai)汽車(che)內充電，或(huo)是插入了廉價的配(pei)件供貨或(huo)錯誤的適配(pei)器--終端用(yong)戶將延續其(qi)在(zai)強健性及穩定(ding)性方面對便攜式設(she)(she)備(bei)的挑(tiao)戰。一(yi)類產(chan)品與(yu)其(qi)它(ta)產(chan)品的主要區別體(ti)現(xian)在(zai)當(dang)出現(xian)上述不期望的狀態時，設(she)(she)備(bei)的穩定(ding)性、可靠性以及強健性。系統設(she)(she)計工程師(shi)的職(zhi)責即在(zai)于將此(ci)類因素納入考慮，以確保其(qi)產(chan)品更(geng)(geng)智能、更(geng)(geng)強且(qie)更(geng)(geng)健壯，以使(shi)其(qi)產(chan)品在(zai)為數眾多的產(chan)品中獨樹一(yi)幟(as "The" one)，而不是“泯然眾人矣(yi)”(as "A" one)。