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包(bao)含了(le)以下特性，則可實(shi)現一個(ge)強健的系統，適(shi)用于所有的外部AC適(shi)配器：

　　抑制瞬變電壓尖刺的保(bao)護

　　非穩(wen)壓適配器的(de)輸出電壓特(te)性(xing)

　　散(san)熱(re)管理及失(shi)效保(bao)護本文將探討(tao)在(zai)使用(yong)(yong)不(bu)同范(fan)圍的(de)(de)(de)AC適配器(qi)時上述參數在(zai)系統(tong)層次上的(de)(de)(de)影響，并討(tao)論如何使用(yong)(yong)線性化的(de)(de)(de)充電器(qi)（具(ju)有諸如過壓保(bao)護、散(san)熱(re)調節及動態(tai)計時器(qi)的(de)(de)(de)特性）設計出更強健的(de)(de)(de)系統(tong)。文中還引用(yong)(yong)了TI的(de)(de)(de)bq2406X系列(lie)作為線性化充電器(qi)家族的(de)(de)(de)示例，展示了一系列(lie)以(yi)滿足(zu)以(yi)上要求為目的(de)(de)(de)的(de)(de)(de)線性充電器(qi)。

　　多種多樣的(de)AC適配器

　　當今便攜式(shi)系(xi)統(tong)設(she)計方面的(de)(de)(de)主要問題之(zhi)一(yi)在于(yu)適(shi)(shi)(shi)(shi)應寬(kuan)范圍(wei)輸入供(gong)(gong)電(dian)源的(de)(de)(de)需求，例如(ru)AC適(shi)(shi)(shi)(shi)配(pei)(pei)(pei)器(qi)(qi)(qi)、USB纜線或(huo)車載/空(kong)載的(de)(de)(de)直流(liu)輸出(chu)。將適(shi)(shi)(shi)(shi)配(pei)(pei)(pei)器(qi)(qi)(qi)以低廉的(de)(de)(de)價格推(tui)向市場，取代(dai)了原本昂(ang)貴的(de)(de)(de)原廠(OEM)適(shi)(shi)(shi)(shi)配(pei)(pei)(pei)器(qi)(qi)(qi)，從(cong)而促進了眾多(duo)供(gong)(gong)應商(shang)的(de)(de)(de)開(kai)發歷程(cheng)，使可充(chong)電(dian)便攜式(shi)設(she)備獲得了廣泛(fan)的(de)(de)(de)成就(jiu)。此類最流(liu)行的(de)(de)(de)供(gong)(gong)電(dian)源，如(ru)交(jiao)流(liu)適(shi)(shi)(shi)(shi)配(pei)(pei)(pei)器(qi)(qi)(qi)，通常可根據其特性劃(hua)分為兩部分：穩壓(ya)適(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)配(pei)(pei)(pei)器(qi)(qi)(qi)；非穩壓(ya)適(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(jian)供(gong)(gong)貨(huo)適(shi)(shi)(shi)(shi)配(pei)(pei)(pei)器(qi)(qi)(qi)。

　　穩(wen)壓適(shi)配(pei)器(qi)(qi)的(de)(de)輸(shu)出電(dian)(dian)壓通過內置電(dian)(dian)路提供(gong)非常優良的(de)(de)線路及負載調節(jie)。而(er)相反的(de)(de)，非穩(wen)壓適(shi)配(pei)器(qi)(qi)所(suo)提供(gong)的(de)(de)輸(shu)出電(dian)(dian)壓則取決(jue)于(yu)負載，線路負載調節(jie)能(neng)力不強。適(shi)配(pei)器(qi)(qi)在(zai)過電(dian)(dian)流狀(zhuang)態下的(de)(de)行(xing)為(wei)也有所(suo)差(cha)別。穩(wen)壓適(shi)配(pei)器(qi)(qi)在(zai)進入過電(dian)(dian)流區域時通常具有更為(wei)陡峭的(de)(de)過渡區(transition region)，如(ru)圖1所(suo)示。

　　圖1：穩(wen)壓及非穩(wen)壓型AC適配器的(de)特(te)性

　　輸入瞬變(bian)及(ji)過電壓(ya)狀(zhuang)態

　　現(xian)今的便攜式設備設計于通過(guo)上述類(lei)型的適配器進行(xing)供電(dian)(dian)，必須整合保護功能，以使得過(guo)電(dian)(dian)壓狀態(tai)下終端設備的風險最小(xiao)化。過(guo)電(dian)(dian)壓狀態(tai)可分類(lei)為兩種(zhong)模式：直流過(guo)電(dian)(dian)壓以及瞬(shun)變過(guo)電(dian)(dian)壓。

　　通常情況下，直流過電(dian)壓源于所插入(ru)的(de)配件供貨或非標準適配器上(shang)錯誤的(de)輸出電(dian)壓。另一(yi)方面，瞬(shun)變過電(dian)壓則(ze)發生(sheng)于終端設備(bei)熱插入(ru)適配器的(de)瞬(shun)間。瞬(shun)變過電(dian)壓可(ke)輕易的(de)達(da)到2倍的(de)正常適配器輸出電(dian)壓，如圖2所示。

　　圖(tu)2：5V、1A適(shi)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)(zai)適當設計時，充(chong)電(dian)器級(ji)可用(yong)于(yu)將電(dian)池和系(xi)統(tong)與外(wai)部供(gong)電(dian)源隔(ge)離(li)，如圖(tu)3所示。在(zai)(zai)此類拓撲中，電(dian)池組及系(xi)統(tong)的正極終端(duan)被(bei)連(lian)接至充(chong)電(dian)級(ji)的輸出。充(chong)電(dian)器功率級(ji)有效的隔(ge)離(li)了(le)外(wai)部適配器與系(xi)統(tong)供(gong)電(dian)總(zong)線。

　　圖3：充(chong)電器級(ji)將外部供(gong)電源與電池和系統(tong)隔(ge)離

　　如圖3所示的(de)(de)拓(tuo)撲可(ke)實現強(qiang)健的(de)(de)設(she)計，其充電(dian)器級(ji)整合(he)了輸(shu)入過(guo)(guo)電(dian)壓(ya)(ya)保(bao)護(hu)(OVP)功(gong)能，可(ke)監測輸(shu)入電(dian)壓(ya)(ya)并在探(tan)測到直流過(guo)(guo)電(dian)壓(ya)(ya)狀態時使(shi)充電(dian)器級(ji)失效。當(dang)充電(dian)器級(ji)失效時，系統的(de)(de)供電(dian)總線與適配器的(de)(de)輸(shu)出完全隔離。對(dui)于5V的(de)(de)穩壓(ya)(ya)適配器，輸(shu)入過(guo)(guo)電(dian)壓(ya)(ya)保(bao)護(hu)限(xian)制通常設(she)定(ding)為6.5V。bq2406X系列提供了6.5V及(ji)10.5V的(de)(de)選項以同時適應于穩壓(ya)(ya)及(ji)非穩壓(ya)(ya)型的(de)(de)適配器。

　　為隔離并保(bao)護系統及電(dian)池免受外部(bu)電(dian)源瞬變(bian)過電(dian)壓狀態(tai)的(de)損害(hai)，充電(dian)器級應具有約(yue)2倍(bei)于一般額定適配器電(dian)壓的(de)輸入電(dian)壓限定范圍(wei)。

　　需(xu)要注意的是，在(zai)(zai)上述所討論(lun)的拓撲(pu)中，若最小化系(xi)統電(dian)(dian)流（例如(ru)待機(ji)[stand-by]模(mo)式(shi)下）高(gao)(gao)于(yu)結束(shu)(termination)電(dian)(dian)流限(xian)，則可能產生(sheng)潛在(zai)(zai)的鎖定(lock out)狀態(tai)。在(zai)(zai)系(xi)統電(dian)(dian)流超過結束(shu)電(dian)(dian)流限(xian)之(zhi)時(shi)，終止(zhi)(zhi)將無法進行檢測(ce)。安全計時(shi)器(qi)(qi)將被(bei)激活，充電(dian)(dian)器(qi)(qi)級(ji)將在(zai)(zai)電(dian)(dian)池充至滿(man)容(rong)量(liang)之(zhi)前就掉(diao)電(dian)(dian)(power down)。為解(jie)決該潛在(zai)(zai)的問題，bq2406X系(xi)列針對(dui)設(she)備(bei)在(zai)(zai)電(dian)(dian)池充電(dian)(dian)器(qi)(qi)開(kai)啟時(shi)高(gao)(gao)功率(lv)模(mo)式(shi)，提供(gong)了失效及(ji)安全計時(shi)器(qi)(qi)選項(xiang)，以及(ji)充電(dian)(dian)終止(zhi)(zhi)功能。

　　散熱管理及失效(xiao)保護

　　線性化充(chong)電器(qi)中至系統供電總線的高輸入電壓差分將導(dao)致(zhi)芯(xin)片溫(wen)度上升，乃至超過最大結點溫(wen)度(junction temperature)值(zhi)并產生熱(re)(re)(re)燒毀。為避免該問題，此類(lei)設計必(bi)須考慮強健的散熱(re)(re)(re)管(guan)理配(pei)置，同時包括了(le)熱(re)(re)(re)關斷(thermal shutdown)及(ji)熱(re)(re)(re)調節(jie)(thermal regulation)。

　　依照一般(ban)的規(gui)則，所有(you)(you)的集成充(chong)(chong)電(dian)器(qi)IC都必須具有(you)(you)熱(re)關(guan)(guan)斷(duan)(duan)，一旦IC的內(nei)部(bu)結點(dian)溫度(du)(du)(du)超過最(zui)大結點(dian)溫度(du)(du)(du)值，熱(re)關(guan)(guan)斷(duan)(duan)將被觸(chu)發，以確保運轉過程中(zhong)不(bu)會(hui)產生熱(re)燒(shao)毀。在典(dian)型(xing)的應(ying)用中(zhong)，當充(chong)(chong)電(dian)電(dian)流(liu)1A而充(chong)(chong)電(dian)電(dian)壓(ya)(ya)高于電(dian)池電(dian)壓(ya)(ya)2-3V時(shi)，熱(re)關(guan)(guan)斷(duan)(duan)將被激活(huo)。激活(huo)狀態下，熱(re)關(guan)(guan)斷(duan)(duan)電(dian)路將關(guan)(guan)閉充(chong)(chong)電(dian)器(qi)功(gong)率(lv)級(ji)，以避免(mian)熱(re)燒(shao)毀。通常(chang)的熱(re)關(guan)(guan)斷(duan)(duan)電(dian)路都具有(you)(you)設(she)計上的滯后效應(ying)。當芯(xin)(xin)片(pian)溫度(du)(du)(du)降低，功(gong)率(lv)級(ji)方可重新開啟。若(ruo)芯(xin)(xin)片(pian)溫度(du)(du)(du)再(zai)度(du)(du)(du)上升(sheng)，熱(re)關(guan)(guan)斷(duan)(duan)電(dian)路將再(zai)次被觸(chu)發。其散熱(re)所維持時(shi)間可達(da)數秒，取(qu)決于PCB的布板，此類工作模(mo)式(shi)在以充(chong)(chong)電(dian)狀態LED指示時(shi)一般(ban)被稱為(wei)“閃光”（"flashing"）模(mo)式(shi)。

　　為(wei)解(jie)決此類(lei)散熱問題，可(ke)添加一個散熱回路(lu)，以(yi)降(jiang)低(di)(di)充電(dian)電(dian)流，確保IC結點溫度低(di)(di)于熱關斷(duan)限。如(ru)圖3所(suo)示，bq2406X系(xi)列線性(xing)化充電(dian)器(qi)添加了散熱回路(lu)以(yi)支持運轉。散熱回路(lu)在(zai)激(ji)活狀(zhuang)態下可(ke)有(you)效的降(jiang)低(di)(di)充電(dian)電(dian)流，降(jiang)低(di)(di)充電(dian)器(qi)級供(gong)電(dian)MOSFET的功耗。

　　圖4：散熱回(hui)路在輸(shu)入(ru)電壓(ya)瞬變(bian)情況下的運轉

　　需(xu)要(yao)注意到，具有散熱回(hui)路的線(xian)性化充電器在(zai)輸入電壓過(guo)高(gao)的情(qing)況下(xia)(xia)，充電電流(liu)可(ke)降至非常低的值。在(zai)此類狀況下(xia)(xia)，失(shi)效(xiao)終止(false termination)可(ke)針對(dui)充電電流(liu)是否(fou)降至低于結束限進行檢測。為(wei)避免此問題，bq2406X將在(zai)散熱回(hui)路激活時使終止失(shi)效(xiao)。

　　動態計時器控制

　　充(chong)電安全計(ji)數器(qi)(qi)用(yong)于(yu)檢測失效(xiao)狀(zhuang)(zhuang)態，如果(guo)充(chong)電周期(qi)持續超過正常狀(zhuang)(zhuang)態下(xia)(xia)所(suo)期(qi)望(wang)的(de)總(zong)體時(shi)間，且充(chong)電電流(liu)等于(yu)額定的(de)快(kuai)速(su)充(chong)電電流(liu)，則判斷失效(xiao)。在(zai)散(san)熱回路(lu)(lu)激活狀(zhuang)(zhuang)態下(xia)(xia)，充(chong)電電流(liu)降(jiang)低。若是(shi)散(san)熱回路(lu)(lu)在(zai)較長的(de)一段時(shi)間內被激活，那么失效(xiao)安全計(ji)數器(qi)(qi)的(de)錯誤(wu)狀(zhuang)(zhuang)態即可觀(guan)察得出。為避免不期(qi)望(wang)的(de)錯誤(wu)狀(zhuang)(zhuang)態，bq2406X充(chong)電器(qi)(qi)IC采用(yong)了(le)動態計(ji)時(shi)器(qi)(qi)控制(DTC)，其內置(zhi)電路(lu)(lu)通(tong)過編(bian)程調整計(ji)時(shi)終止輸出的(de)時(shi)間值(zhi)，降(jiang)低安全計(ji)數器(qi)(qi)的(de)時(shi)鐘效(xiao)率(lv)。DTC電路(lu)(lu)將在(zai)散(san)熱回路(lu)(lu)被激活時(shi)同(tong)時(shi)啟動。

　　散(san)熱(re)調節功能，并結合DTC電路，提供了強健的散(san)熱(re)管理及失效(xiao)保(bao)護(hu)配置，以保(bao)護(hu)充電器級(ji)和系(xi)統(tong)免(mian)遭瞬(shun)變或其(qi)它(ta)過電壓狀(zhuang)態所造(zao)成的散(san)熱(re)錯誤(wu)。

　　在(zai)此所(suo)討(tao)論的(de)(de)便攜(xie)式(shi)(shi)設(she)(she)備在(zai)廠商之間(jian)存在(zai)著激烈(lie)的(de)(de)競爭(zheng)，且持續著革新及(ji)差異化。隨著便攜(xie)式(shi)(shi)設(she)(she)備所(suo)安置(zhi)的(de)(de)使用環境越(yue)來(lai)越(yue)嚴苛--例(li)如(ru)，在(zai)炎熱的(de)(de)夏(xia)日將電(dian)話放置(zhi)在(zai)汽車(che)內充(chong)電(dian)，或(huo)是(shi)插入了廉價的(de)(de)配件供貨或(huo)錯誤的(de)(de)適配器--終端用戶將延續其(qi)在(zai)強(qiang)健性(xing)及(ji)穩定性(xing)方面對便攜(xie)式(shi)(shi)設(she)(she)備的(de)(de)挑戰。一(yi)類(lei)產(chan)品(pin)(pin)與(yu)其(qi)它(ta)產(chan)品(pin)(pin)的(de)(de)主要區別體現在(zai)當出現上述不(bu)期(qi)望的(de)(de)狀態(tai)時，設(she)(she)備的(de)(de)穩定性(xing)、可靠性(xing)以及(ji)強(qiang)健性(xing)。系統設(she)(she)計(ji)工程(cheng)師的(de)(de)職責即在(zai)于將此類(lei)因(yin)素納(na)入考慮(lv)，以確保其(qi)產(chan)品(pin)(pin)更智能、更強(qiang)且更健壯，以使其(qi)產(chan)品(pin)(pin)在(zai)為數眾(zhong)(zhong)多的(de)(de)產(chan)品(pin)(pin)中獨(du)樹一(yi)幟(as "The" one)，而不(bu)是(shi)“泯然眾(zhong)(zhong)人矣”(as "A" one)。