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。如果充電器級的設計(ji)包含了以(yi)下特性，則可(ke)實現一個強健的系統，適用(yong)于所有(you)的外部AC適配器：

　　抑制瞬變(bian)電(dian)壓尖(jian)刺的保護

　　非穩(wen)壓(ya)適配器的輸出電壓(ya)特性

　　散熱(re)管理及(ji)失效保(bao)護本(ben)文(wen)將(jiang)探討(tao)在(zai)使(shi)用(yong)不同范圍的(de)(de)AC適配器時(shi)上(shang)述(shu)參數在(zai)系統(tong)(tong)層次(ci)上(shang)的(de)(de)影響，并討(tao)論如何使(shi)用(yong)線(xian)性化(hua)的(de)(de)充電(dian)器（具(ju)有諸(zhu)如過(guo)壓保(bao)護、散熱(re)調(diao)節(jie)及(ji)動(dong)態計時(shi)器的(de)(de)特性）設計出更(geng)強(qiang)健(jian)的(de)(de)系統(tong)(tong)。文(wen)中還引用(yong)了TI的(de)(de)bq2406X系列作(zuo)為線(xian)性化(hua)充電(dian)器家族(zu)的(de)(de)示例，展示了一系列以(yi)(yi)滿足以(yi)(yi)上(shang)要(yao)求為目(mu)的(de)(de)的(de)(de)線(xian)性充電(dian)器。

　　多(duo)種多(duo)樣的(de)AC適配器

　　當今(jin)便攜(xie)式系統(tong)設計方面的(de)(de)(de)主要問題之一在于適(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)應寬范圍(wei)輸(shu)入供(gong)電(dian)源(yuan)的(de)(de)(de)需求，例如AC適(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)配(pei)(pei)(pei)器(qi)(qi)(qi)、USB纜線或車載(zai)(zai)/空載(zai)(zai)的(de)(de)(de)直流(liu)輸(shu)出。將(jiang)適(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)配(pei)(pei)(pei)器(qi)(qi)(qi)以低廉(lian)的(de)(de)(de)價(jia)格推向市(shi)場，取(qu)代了(le)原(yuan)本(ben)昂貴(gui)的(de)(de)(de)原(yuan)廠(OEM)適(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)配(pei)(pei)(pei)器(qi)(qi)(qi)，從(cong)而促進了(le)眾多供(gong)應商的(de)(de)(de)開發(fa)歷程，使可充(chong)電(dian)便攜(xie)式設備獲得了(le)廣泛的(de)(de)(de)成(cheng)就。此(ci)類(lei)最流(liu)行的(de)(de)(de)供(gong)電(dian)源(yuan)，如交流(liu)適(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)配(pei)(pei)(pei)器(qi)(qi)(qi)，通常可根據(ju)其特性劃分為(wei)兩部分：穩壓適(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)配(pei)(pei)(pei)器(qi)(qi)(qi)(regulated adaptor)，典型的(de)(de)(de)OEM適(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)配(pei)(pei)(pei)器(qi)(qi)(qi)；非穩壓適(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)配(pei)(pei)(pei)器(qi)(qi)(qi)(unregulated adaptor)，典型的(de)(de)(de)配(pei)(pei)(pei)件供(gong)貨適(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)配(pei)(pei)(pei)器(qi)(qi)(qi)。

　　穩(wen)壓(ya)適(shi)配器的(de)(de)輸出電壓(ya)通(tong)過內置(zhi)電路提(ti)供(gong)非常優良的(de)(de)線路及負(fu)載調(diao)節。而相反的(de)(de)，非穩(wen)壓(ya)適(shi)配器所提(ti)供(gong)的(de)(de)輸出電壓(ya)則取決于負(fu)載，線路負(fu)載調(diao)節能力不強(qiang)。適(shi)配器在(zai)過電流(liu)狀態下的(de)(de)行為也有所差別。穩(wen)壓(ya)適(shi)配器在(zai)進(jin)入過電流(liu)區(qu)(qu)域時通(tong)常具有更為陡峭的(de)(de)過渡區(qu)(qu)(transition region)，如圖1所示。

　　圖1：穩壓(ya)及非穩壓(ya)型AC適配器的特性

　　輸入瞬變及過電壓狀(zhuang)態

　　現今的便攜式設備設計于通過上述(shu)類型的適配(pei)器(qi)進行供電(dian)(dian)，必須整(zheng)合保護功能(neng)，以使(shi)得過電(dian)(dian)壓狀態下終(zhong)端設備的風險最小(xiao)化。過電(dian)(dian)壓狀態可分類為兩種(zhong)模(mo)式：直流過電(dian)(dian)壓以及瞬變過電(dian)(dian)壓。

　　通常情況(kuang)下，直流(liu)過電(dian)(dian)壓(ya)(ya)源(yuan)于所插入的(de)配件供貨或(huo)非標準適配器(qi)上錯誤的(de)輸出(chu)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)。另一(yi)方(fang)面，瞬(shun)變(bian)(bian)過電(dian)(dian)壓(ya)(ya)則發生于終端(duan)設備熱插入適配器(qi)的(de)瞬(shun)間(jian)。瞬(shun)變(bian)(bian)過電(dian)(dian)壓(ya)(ya)可輕易(yi)的(de)達到2倍的(de)正常適配器(qi)輸出(chu)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)，如圖(tu)2所示。

　　圖2：5V、1A適配器（1uF及10uF輸入(ru)電容狀態下）的熱(re)插入(ru)瞬變特性

　　在(zai)適(shi)當設計時，充電(dian)器(qi)級(ji)(ji)可用于將電(dian)池(chi)和系統(tong)與外部(bu)供(gong)電(dian)源隔離，如圖3所示。在(zai)此類拓(tuo)撲中，電(dian)池(chi)組及系統(tong)的正極終端被連接(jie)至充電(dian)級(ji)(ji)的輸出。充電(dian)器(qi)功率級(ji)(ji)有效的隔離了外部(bu)適(shi)配器(qi)與系統(tong)供(gong)電(dian)總線。

　　圖3：充(chong)電(dian)(dian)器級將(jiang)外部供電(dian)(dian)源與電(dian)(dian)池和(he)系統隔離

　　如圖3所(suo)示的(de)(de)拓撲可(ke)(ke)實現(xian)強健的(de)(de)設計，其充(chong)電(dian)(dian)器(qi)級整合(he)了輸(shu)入(ru)過電(dian)(dian)壓(ya)(ya)保護(OVP)功能，可(ke)(ke)監測輸(shu)入(ru)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)并在探(tan)測到直流過電(dian)(dian)壓(ya)(ya)狀態時使充(chong)電(dian)(dian)器(qi)級失效(xiao)。當充(chong)電(dian)(dian)器(qi)級失效(xiao)時，系統的(de)(de)供電(dian)(dian)總線(xian)與適(shi)配器(qi)的(de)(de)輸(shu)出完(wan)全隔離。對于5V的(de)(de)穩(wen)壓(ya)(ya)適(shi)配器(qi)，輸(shu)入(ru)過電(dian)(dian)壓(ya)(ya)保護限制(zhi)通常設定為6.5V。bq2406X系列提供了6.5V及(ji)10.5V的(de)(de)選項以同時適(shi)應于穩(wen)壓(ya)(ya)及(ji)非穩(wen)壓(ya)(ya)型的(de)(de)適(shi)配器(qi)。

　　為(wei)隔離并保護系統及電池免受外部電源瞬變過電壓(ya)狀態的損害，充電器(qi)級應(ying)具有(you)約(yue)2倍于一般(ban)額(e)定(ding)適(shi)配器(qi)電壓(ya)的輸(shu)入電壓(ya)限定(ding)范(fan)圍。

　　需(xu)要注意的是，在(zai)(zai)(zai)上述(shu)所(suo)討論的拓撲(pu)中，若最小化系(xi)(xi)統電(dian)(dian)流(liu)（例如待機(ji)[stand-by]模式(shi)下）高于結束(shu)(shu)(termination)電(dian)(dian)流(liu)限(xian)，則(ze)可能產生潛在(zai)(zai)(zai)的鎖定(lock out)狀態。在(zai)(zai)(zai)系(xi)(xi)統電(dian)(dian)流(liu)超過(guo)結束(shu)(shu)電(dian)(dian)流(liu)限(xian)之(zhi)時(shi)，終止(zhi)將無法進(jin)行檢測。安全計(ji)時(shi)器(qi)將被激(ji)活，充(chong)電(dian)(dian)器(qi)級將在(zai)(zai)(zai)電(dian)(dian)池充(chong)至滿容(rong)量之(zhi)前就掉電(dian)(dian)(power down)。為解決該潛在(zai)(zai)(zai)的問題，bq2406X系(xi)(xi)列針對設備(bei)在(zai)(zai)(zai)電(dian)(dian)池充(chong)電(dian)(dian)器(qi)開啟時(shi)高功(gong)率模式(shi)，提供(gong)了(le)失效及安全計(ji)時(shi)器(qi)選項，以及充(chong)電(dian)(dian)終止(zhi)功(gong)能。

　　散(san)熱管理及(ji)失(shi)效保護

　　線性(xing)化(hua)充電(dian)器中至(zhi)(zhi)系統供電(dian)總線的高輸入電(dian)壓差分(fen)將(jiang)導致芯片溫度(du)上升，乃至(zhi)(zhi)超過最大(da)結點溫度(du)(junction temperature)值并(bing)產生熱(re)燒毀(hui)。為避免該問題，此類設(she)計必須考慮(lv)強(qiang)健的散熱(re)管理配置，同時包括了熱(re)關斷(thermal shutdown)及熱(re)調節(thermal regulation)。

　　依照一(yi)般(ban)的(de)(de)規則，所(suo)有(you)的(de)(de)集成充(chong)電(dian)(dian)器(qi)IC都必須具(ju)有(you)熱(re)(re)(re)(re)關(guan)斷(duan)(duan)(duan)，一(yi)旦IC的(de)(de)內(nei)部結點溫度(du)超過最大結點溫度(du)值(zhi)，熱(re)(re)(re)(re)關(guan)斷(duan)(duan)(duan)將被(bei)(bei)觸發(fa)，以確保運轉(zhuan)過程中不(bu)會產生熱(re)(re)(re)(re)燒毀(hui)。在典(dian)型(xing)的(de)(de)應(ying)用中，當充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流1A而充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)高于(yu)電(dian)(dian)池電(dian)(dian)壓(ya)(ya)2-3V時，熱(re)(re)(re)(re)關(guan)斷(duan)(duan)(duan)將被(bei)(bei)激(ji)活。激(ji)活狀(zhuang)態下，熱(re)(re)(re)(re)關(guan)斷(duan)(duan)(duan)電(dian)(dian)路(lu)(lu)將關(guan)閉充(chong)電(dian)(dian)器(qi)功率(lv)級，以避免(mian)熱(re)(re)(re)(re)燒毀(hui)。通常的(de)(de)熱(re)(re)(re)(re)關(guan)斷(duan)(duan)(duan)電(dian)(dian)路(lu)(lu)都具(ju)有(you)設計上的(de)(de)滯后效應(ying)。當芯片溫度(du)降低，功率(lv)級方可重新開啟。若芯片溫度(du)再(zai)度(du)上升，熱(re)(re)(re)(re)關(guan)斷(duan)(duan)(duan)電(dian)(dian)路(lu)(lu)將再(zai)次被(bei)(bei)觸發(fa)。其散(san)熱(re)(re)(re)(re)所(suo)維(wei)持時間可達(da)數秒(miao)，取決于(yu)PCB的(de)(de)布板，此類(lei)工(gong)作模式在以充(chong)電(dian)(dian)狀(zhuang)態LED指示時一(yi)般(ban)被(bei)(bei)稱為“閃光”（"flashing"）模式。

　　為(wei)解決此類散熱問(wen)題，可添(tian)加一個散熱回(hui)(hui)路，以降低充(chong)(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流，確保IC結點溫度低于熱關斷限。如(ru)圖3所(suo)示，bq2406X系(xi)列(lie)線性化充(chong)(chong)電(dian)(dian)器添(tian)加了散熱回(hui)(hui)路以支持(chi)運(yun)轉。散熱回(hui)(hui)路在激活狀態下可有效的(de)降低充(chong)(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流，降低充(chong)(chong)電(dian)(dian)器級供電(dian)(dian)MOSFET的(de)功耗。

　　圖(tu)4：散(san)熱回路在輸入電壓(ya)瞬變情況下的運(yun)轉

　　需要注意到，具有(you)散熱回路的(de)線性化(hua)充電(dian)器(qi)在(zai)(zai)輸入電(dian)壓(ya)過高的(de)情況(kuang)(kuang)下(xia)，充電(dian)電(dian)流可降至(zhi)非常低的(de)值。在(zai)(zai)此(ci)類狀況(kuang)(kuang)下(xia)，失(shi)效(xiao)終(zhong)止(false termination)可針(zhen)對充電(dian)電(dian)流是否降至(zhi)低于結(jie)束限(xian)進(jin)行(xing)檢測。為避免此(ci)問題，bq2406X將在(zai)(zai)散熱回路激(ji)活時使終(zhong)止失(shi)效(xiao)。

　　動態計時器控制

　　充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)安全(quan)計(ji)(ji)數(shu)器(qi)用于檢測失(shi)效狀態，如(ru)果充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)周(zhou)期持續超過(guo)(guo)正常狀態下所期望的(de)總(zong)體時間(jian)，且充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)等于額定的(de)快速充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)，則判斷失(shi)效。在散熱(re)回路(lu)(lu)(lu)(lu)激活狀態下，充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)降(jiang)低。若是(shi)散熱(re)回路(lu)(lu)(lu)(lu)在較長的(de)一段時間(jian)內被激活，那么失(shi)效安全(quan)計(ji)(ji)數(shu)器(qi)的(de)錯(cuo)誤狀態即可觀察得(de)出。為避免不期望的(de)錯(cuo)誤狀態，bq2406X充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)器(qi)IC采(cai)用了動態計(ji)(ji)時器(qi)控制(DTC)，其內置電(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)(lu)(lu)通(tong)過(guo)(guo)編程調整計(ji)(ji)時終止(zhi)輸出的(de)時間(jian)值，降(jiang)低安全(quan)計(ji)(ji)數(shu)器(qi)的(de)時鐘效率。DTC電(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)(lu)(lu)將(jiang)在散熱(re)回路(lu)(lu)(lu)(lu)被激活時同時啟(qi)動。

　　散熱調節功能，并結合DTC電路，提供了強健的散熱管理及(ji)失效保(bao)(bao)護(hu)配置，以保(bao)(bao)護(hu)充電器級(ji)和系統免遭瞬變或其(qi)它(ta)過電壓(ya)狀(zhuang)態所造成(cheng)的散熱錯誤。

　　在(zai)(zai)(zai)此所討論(lun)的(de)(de)便(bian)攜式設(she)備(bei)在(zai)(zai)(zai)廠商之間存在(zai)(zai)(zai)著激烈的(de)(de)競爭(zheng)，且持(chi)續著革新(xin)及差異化。隨(sui)著便(bian)攜式設(she)備(bei)所安置的(de)(de)使(shi)用環境越來(lai)越嚴苛--例如，在(zai)(zai)(zai)炎(yan)熱的(de)(de)夏日將電話放置在(zai)(zai)(zai)汽車內充電，或是(shi)插入(ru)了廉價的(de)(de)配件供(gong)貨(huo)或錯(cuo)誤(wu)的(de)(de)適配器--終端用戶將延續其在(zai)(zai)(zai)強健性及穩(wen)定(ding)性方面對便(bian)攜式設(she)備(bei)的(de)(de)挑戰。一類(lei)產品與其它產品的(de)(de)主要(yao)區別(bie)體現(xian)在(zai)(zai)(zai)當出現(xian)上述(shu)不(bu)期望的(de)(de)狀態時，設(she)備(bei)的(de)(de)穩(wen)定(ding)性、可(ke)靠性以及強健性。系統設(she)計工程(cheng)師的(de)(de)職責即在(zai)(zai)(zai)于將此類(lei)因素納入(ru)考慮，以確(que)保其產品更(geng)智能(neng)、更(geng)強且更(geng)健壯，以使(shi)其產品在(zai)(zai)(zai)為數眾多的(de)(de)產品中獨樹一幟(as "The" one)，而(er)不(bu)是(shi)“泯(min)然(ran)眾人矣”(as "A" one)。