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)包含了以下特性，則可實現(xian)一個強健的系統，適(shi)用于(yu)所有的外部AC適(shi)配(pei)器：

　　抑(yi)制瞬變電壓尖(jian)刺的保(bao)護

　　非穩壓適配器的輸(shu)出電壓特性

　　散熱(re)管(guan)理及失效保護(hu)本文(wen)將探討在使用不同范(fan)圍的(de)(de)(de)AC適(shi)配(pei)器(qi)時(shi)上述參數在系(xi)統層次上的(de)(de)(de)影響，并(bing)討論(lun)如何(he)使用線(xian)(xian)性(xing)(xing)化(hua)(hua)的(de)(de)(de)充電器(qi)（具(ju)有諸(zhu)如過壓保護(hu)、散熱(re)調節及動態計時(shi)器(qi)的(de)(de)(de)特性(xing)(xing)）設計出更(geng)強健的(de)(de)(de)系(xi)統。文(wen)中(zhong)還引用了TI的(de)(de)(de)bq2406X系(xi)列作為(wei)線(xian)(xian)性(xing)(xing)化(hua)(hua)充電器(qi)家族的(de)(de)(de)示例，展示了一系(xi)列以滿足以上要(yao)求為(wei)目的(de)(de)(de)的(de)(de)(de)線(xian)(xian)性(xing)(xing)充電器(qi)。

　　多種(zhong)多樣的(de)AC適配器

　　當今便攜(xie)式系(xi)統(tong)設計(ji)方面(mian)的(de)(de)主要問題(ti)之一在于適(shi)(shi)應寬范(fan)圍輸入供電源的(de)(de)需(xu)求(qiu)，例如AC適(shi)(shi)配(pei)器、USB纜線或車載/空載的(de)(de)直流輸出。將(jiang)適(shi)(shi)配(pei)器以(yi)低(di)廉的(de)(de)價格推向市場，取代了原(yuan)本昂貴的(de)(de)原(yuan)廠(OEM)適(shi)(shi)配(pei)器，從而促(cu)進了眾多供應商的(de)(de)開發歷(li)程(cheng)，使(shi)可充電便攜(xie)式設備獲得了廣泛的(de)(de)成就(jiu)。此類最流行的(de)(de)供電源，如交(jiao)流適(shi)(shi)配(pei)器，通常可根據(ju)其特性劃(hua)分為(wei)兩(liang)部分：穩壓適(shi)(shi)配(pei)器(regulated adaptor)，典型的(de)(de)OEM適(shi)(shi)配(pei)器；非穩壓適(shi)(shi)配(pei)器(unregulated adaptor)，典型的(de)(de)配(pei)件(jian)供貨(huo)適(shi)(shi)配(pei)器。

　　穩(wen)壓(ya)(ya)適(shi)配器(qi)(qi)的(de)輸(shu)(shu)出(chu)(chu)電(dian)壓(ya)(ya)通(tong)過(guo)(guo)內(nei)置電(dian)路提供非常優良的(de)線路及負(fu)(fu)載調節。而相反的(de)，非穩(wen)壓(ya)(ya)適(shi)配器(qi)(qi)所提供的(de)輸(shu)(shu)出(chu)(chu)電(dian)壓(ya)(ya)則取決于負(fu)(fu)載，線路負(fu)(fu)載調節能力(li)不強。適(shi)配器(qi)(qi)在過(guo)(guo)電(dian)流(liu)狀態(tai)下的(de)行為也(ye)有所差(cha)別(bie)。穩(wen)壓(ya)(ya)適(shi)配器(qi)(qi)在進(jin)入過(guo)(guo)電(dian)流(liu)區(qu)域時通(tong)常具有更為陡峭(qiao)的(de)過(guo)(guo)渡區(qu)(transition region)，如圖1所示。

　　圖1：穩壓及非穩壓型(xing)AC適配器的特性

　　輸入瞬變(bian)及過電壓狀態

　　現今的(de)便攜式(shi)設備設計于(yu)通過上(shang)述類(lei)型的(de)適(shi)配器進行供電(dian)，必須整合保護功能，以(yi)(yi)使得過電(dian)壓狀態下終(zhong)端設備的(de)風險(xian)最小化。過電(dian)壓狀態可分類(lei)為兩種(zhong)模式(shi)：直流過電(dian)壓以(yi)(yi)及瞬(shun)變(bian)過電(dian)壓。

　　通常(chang)情況下，直(zhi)流(liu)過電(dian)(dian)壓源于所(suo)(suo)插入(ru)(ru)的(de)配件供(gong)貨或非標準適(shi)(shi)配器上錯誤的(de)輸出電(dian)(dian)壓。另(ling)一方面，瞬變過電(dian)(dian)壓則(ze)發生于終端設備熱(re)插入(ru)(ru)適(shi)(shi)配器的(de)瞬間。瞬變過電(dian)(dian)壓可輕易(yi)的(de)達到2倍的(de)正常(chang)適(shi)(shi)配器輸出電(dian)(dian)壓，如(ru)圖2所(suo)(suo)示。

　　圖2：5V、1A適(shi)配器（1uF及10uF輸入(ru)電容狀態(tai)下）的熱插入(ru)瞬變特性

　　在適當(dang)設計時，充電(dian)器(qi)(qi)級可用于將電(dian)池和系統(tong)與外部供電(dian)源隔離，如圖3所示。在此類拓(tuo)撲中，電(dian)池組及系統(tong)的正極終端被連接至充電(dian)級的輸出。充電(dian)器(qi)(qi)功率級有效的隔離了外部適配器(qi)(qi)與系統(tong)供電(dian)總(zong)線。

　　圖3：充電(dian)器級將外(wai)部供(gong)電(dian)源與電(dian)池和系統隔(ge)離

　　如圖(tu)3所示的(de)拓撲可(ke)實現(xian)強健的(de)設計，其充電(dian)(dian)(dian)器(qi)級整(zheng)合了輸(shu)入(ru)(ru)過(guo)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)保護(OVP)功能，可(ke)監測(ce)輸(shu)入(ru)(ru)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)并在探測(ce)到直流過(guo)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)狀態時使充電(dian)(dian)(dian)器(qi)級失效。當(dang)充電(dian)(dian)(dian)器(qi)級失效時，系統的(de)供(gong)(gong)電(dian)(dian)(dian)總線(xian)與(yu)適配器(qi)的(de)輸(shu)出完全隔離。對于(yu)5V的(de)穩壓(ya)適配器(qi)，輸(shu)入(ru)(ru)過(guo)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)保護限制通常設定為6.5V。bq2406X系列提供(gong)(gong)了6.5V及(ji)10.5V的(de)選項(xiang)以同(tong)時適應于(yu)穩壓(ya)及(ji)非穩壓(ya)型(xing)的(de)適配器(qi)。

　　為隔離并(bing)保護(hu)系(xi)統(tong)及電(dian)(dian)(dian)池免受外部電(dian)(dian)(dian)源瞬(shun)變過(guo)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)狀態(tai)的(de)損害，充電(dian)(dian)(dian)器級應(ying)具有約2倍于一(yi)般(ban)額定(ding)適配器電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)的(de)輸入電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)限定(ding)范圍。

　　需要注意的(de)(de)(de)是，在(zai)(zai)上(shang)述所討論的(de)(de)(de)拓撲(pu)中(zhong)，若最(zui)小化系統電(dian)流(liu)（例如待機[stand-by]模(mo)式下）高于結束(termination)電(dian)流(liu)限(xian)，則可能產生潛在(zai)(zai)的(de)(de)(de)鎖定(ding)(lock out)狀(zhuang)態。在(zai)(zai)系統電(dian)流(liu)超過結束電(dian)流(liu)限(xian)之(zhi)時(shi)，終止將(jiang)無法進行(xing)檢測(ce)。安(an)全計(ji)時(shi)器(qi)將(jiang)被激(ji)活，充電(dian)器(qi)級將(jiang)在(zai)(zai)電(dian)池充至滿容量之(zhi)前就(jiu)掉電(dian)(power down)。為解(jie)決該潛在(zai)(zai)的(de)(de)(de)問(wen)題，bq2406X系列針對設備在(zai)(zai)電(dian)池充電(dian)器(qi)開啟(qi)時(shi)高功(gong)率模(mo)式，提供了失效及(ji)安(an)全計(ji)時(shi)器(qi)選項，以及(ji)充電(dian)終止功(gong)能。

　　散(san)熱管理及(ji)失效保護

　　線性(xing)化充電(dian)(dian)器中至系統供電(dian)(dian)總線的(de)高輸入電(dian)(dian)壓(ya)差分將導致(zhi)芯片(pian)溫度(du)上升，乃(nai)至超過最大結點溫度(du)(junction temperature)值并產生熱(re)燒毀。為避(bi)免該問題，此類(lei)設計(ji)必須(xu)考慮強(qiang)健的(de)散(san)熱(re)管理配(pei)置，同時包括了熱(re)關斷(thermal shutdown)及熱(re)調節(thermal regulation)。

　　依照一(yi)般的規則，所有的集(ji)成充(chong)電(dian)(dian)(dian)器IC都(dou)(dou)必須具(ju)有熱(re)(re)關(guan)斷，一(yi)旦(dan)IC的內部(bu)結(jie)點溫度(du)超過(guo)最大結(jie)點溫度(du)值，熱(re)(re)關(guan)斷將(jiang)被(bei)觸發，以(yi)確(que)保運轉過(guo)程中(zhong)不會產生熱(re)(re)燒(shao)毀。在典型的應(ying)用中(zhong)，當(dang)充(chong)電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)流1A而充(chong)電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)壓高(gao)于電(dian)(dian)(dian)池電(dian)(dian)(dian)壓2-3V時(shi)(shi)(shi)，熱(re)(re)關(guan)斷將(jiang)被(bei)激活。激活狀態下，熱(re)(re)關(guan)斷電(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)將(jiang)關(guan)閉(bi)充(chong)電(dian)(dian)(dian)器功率級(ji)(ji)，以(yi)避免熱(re)(re)燒(shao)毀。通常的熱(re)(re)關(guan)斷電(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)都(dou)(dou)具(ju)有設計上(shang)的滯后效應(ying)。當(dang)芯片(pian)溫度(du)降低，功率級(ji)(ji)方可重新開啟。若芯片(pian)溫度(du)再度(du)上(shang)升，熱(re)(re)關(guan)斷電(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)將(jiang)再次被(bei)觸發。其(qi)散熱(re)(re)所維(wei)持時(shi)(shi)(shi)間可達(da)數(shu)秒，取決于PCB的布板，此(ci)類工(gong)作(zuo)模式在以(yi)充(chong)電(dian)(dian)(dian)狀態LED指示時(shi)(shi)(shi)一(yi)般被(bei)稱為(wei)“閃光”（"flashing"）模式。

　　為解決此類散熱(re)問(wen)題，可添加一個散熱(re)回(hui)路(lu)，以(yi)降低充電(dian)電(dian)流，確保IC結(jie)點(dian)溫度低于熱(re)關斷(duan)限。如(ru)圖3所示，bq2406X系(xi)列線(xian)性化充電(dian)器(qi)添加了散熱(re)回(hui)路(lu)以(yi)支持運轉。散熱(re)回(hui)路(lu)在激活狀態下(xia)可有效的(de)降低充電(dian)電(dian)流，降低充電(dian)器(qi)級供(gong)電(dian)MOSFET的(de)功耗。

　　圖4：散熱回路(lu)在(zai)輸入電(dian)壓瞬變情況下的運轉

　　需要注意(yi)到，具有散熱回路的線性化充(chong)電(dian)器在輸入電(dian)壓(ya)過高(gao)的情(qing)況下(xia)，充(chong)電(dian)電(dian)流(liu)可降(jiang)至非常低的值(zhi)。在此(ci)類狀況下(xia)，失效終止(zhi)(zhi)(false termination)可針對(dui)充(chong)電(dian)電(dian)流(liu)是否降(jiang)至低于結束限進行檢測(ce)。為(wei)避免此(ci)問題，bq2406X將在散熱回路激活(huo)時使終止(zhi)(zhi)失效。

　　動態計時器控制

　　充電(dian)(dian)(dian)(dian)安(an)全(quan)計(ji)(ji)數(shu)(shu)器(qi)用(yong)于檢測失(shi)(shi)效狀(zhuang)態，如果充電(dian)(dian)(dian)(dian)周期(qi)持續超過(guo)正常狀(zhuang)態下所期(qi)望(wang)的(de)(de)總體時(shi)(shi)間，且(qie)充電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流等于額定的(de)(de)快(kuai)速(su)充電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流，則判(pan)斷失(shi)(shi)效。在(zai)散(san)熱(re)回(hui)路(lu)激(ji)活狀(zhuang)態下，充電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流降(jiang)低。若是散(san)熱(re)回(hui)路(lu)在(zai)較長的(de)(de)一段時(shi)(shi)間內被(bei)激(ji)活，那么失(shi)(shi)效安(an)全(quan)計(ji)(ji)數(shu)(shu)器(qi)的(de)(de)錯誤狀(zhuang)態即可觀察得出。為避免不期(qi)望(wang)的(de)(de)錯誤狀(zhuang)態，bq2406X充電(dian)(dian)(dian)(dian)器(qi)IC采用(yong)了(le)動態計(ji)(ji)時(shi)(shi)器(qi)控制(DTC)，其內置電(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)通過(guo)編程調整計(ji)(ji)時(shi)(shi)終止(zhi)輸出的(de)(de)時(shi)(shi)間值，降(jiang)低安(an)全(quan)計(ji)(ji)數(shu)(shu)器(qi)的(de)(de)時(shi)(shi)鐘(zhong)效率(lv)。DTC電(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)將在(zai)散(san)熱(re)回(hui)路(lu)被(bei)激(ji)活時(shi)(shi)同時(shi)(shi)啟動。

　　散(san)熱調節功能(neng)，并結合DTC電路，提(ti)供了強(qiang)健的散(san)熱管理(li)及(ji)失效保護(hu)配置，以(yi)保護(hu)充電器級和系統免遭瞬(shun)變或其它過電壓狀態所造成的散(san)熱錯(cuo)誤。

　　在此(ci)所討(tao)論的(de)(de)便(bian)攜(xie)式(shi)(shi)設(she)備在廠商之間(jian)存在著(zhu)激烈的(de)(de)競(jing)爭，且(qie)持續(xu)著(zhu)革新及差異化。隨著(zhu)便(bian)攜(xie)式(shi)(shi)設(she)備所安(an)置的(de)(de)使(shi)用環境越來越嚴(yan)苛--例如，在炎熱的(de)(de)夏(xia)日將電話(hua)放(fang)置在汽車內充電，或是插入(ru)了廉價(jia)的(de)(de)配件供貨或錯誤的(de)(de)適配器--終(zhong)端(duan)用戶將延續(xu)其(qi)在強(qiang)健性(xing)及穩定(ding)(ding)性(xing)方(fang)面(mian)對便(bian)攜(xie)式(shi)(shi)設(she)備的(de)(de)挑戰。一(yi)類產品(pin)(pin)(pin)與(yu)其(qi)它(ta)產品(pin)(pin)(pin)的(de)(de)主要區別體現(xian)在當出現(xian)上述不期望的(de)(de)狀態(tai)時，設(she)備的(de)(de)穩定(ding)(ding)性(xing)、可(ke)靠性(xing)以(yi)(yi)及強(qiang)健性(xing)。系(xi)統設(she)計工程(cheng)師(shi)的(de)(de)職責即在于(yu)將此(ci)類因素納入(ru)考(kao)慮，以(yi)(yi)確保其(qi)產品(pin)(pin)(pin)更智能、更強(qiang)且(qie)更健壯(zhuang)，以(yi)(yi)使(shi)其(qi)產品(pin)(pin)(pin)在為數(shu)眾(zhong)多的(de)(de)產品(pin)(pin)(pin)中獨樹一(yi)幟(as "The" one)，而(er)不是“泯然眾(zhong)人矣(yi)”(as "A" one)。