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含了以下特(te)性，則(ze)可(ke)實(shi)現一個強健的系統，適(shi)用于所有的外部AC適(shi)配器：

　　抑(yi)制瞬(shun)變(bian)電壓尖刺的(de)保護

　　非(fei)穩壓適配器的輸出(chu)電壓特性

　　散(san)熱(re)管理及失效保(bao)護(hu)本文(wen)(wen)將探討(tao)在使用(yong)(yong)不(bu)同范圍(wei)的AC適(shi)配(pei)器時上述參數在系統(tong)層次上的影響(xiang)，并(bing)討(tao)論如(ru)何使用(yong)(yong)線(xian)性化(hua)的充電器（具(ju)有諸如(ru)過壓保(bao)護(hu)、散(san)熱(re)調節(jie)及動態計時器的特性）設計出更(geng)強健的系統(tong)。文(wen)(wen)中(zhong)還引用(yong)(yong)了TI的bq2406X系列作(zuo)為(wei)線(xian)性化(hua)充電器家族的示(shi)例(li)，展示(shi)了一系列以滿足以上要(yao)求(qiu)為(wei)目的的線(xian)性充電器。

　　多種多樣的AC適配器

　　當今便攜式系統(tong)設計方(fang)面的(de)(de)主要問題之(zhi)一(yi)在于適(shi)(shi)(shi)(shi)應(ying)寬(kuan)范圍輸(shu)入(ru)供電(dian)(dian)(dian)源的(de)(de)需求，例如AC適(shi)(shi)(shi)(shi)配(pei)(pei)器(qi)(qi)、USB纜線或車載/空載的(de)(de)直流(liu)輸(shu)出。將適(shi)(shi)(shi)(shi)配(pei)(pei)器(qi)(qi)以低廉的(de)(de)價格推向市場，取代了(le)原本昂貴的(de)(de)原廠(OEM)適(shi)(shi)(shi)(shi)配(pei)(pei)器(qi)(qi)，從而(er)促(cu)進了(le)眾多供應(ying)商的(de)(de)開發歷(li)程，使可(ke)充電(dian)(dian)(dian)便攜式設備獲(huo)得(de)了(le)廣泛的(de)(de)成就(jiu)。此(ci)類(lei)最流(liu)行的(de)(de)供電(dian)(dian)(dian)源，如交流(liu)適(shi)(shi)(shi)(shi)配(pei)(pei)器(qi)(qi)，通常可(ke)根據其(qi)特性劃分為兩部分：穩壓(ya)(ya)適(shi)(shi)(shi)(shi)配(pei)(pei)器(qi)(qi)(regulated adaptor)，典型的(de)(de)OEM適(shi)(shi)(shi)(shi)配(pei)(pei)器(qi)(qi)；非穩壓(ya)(ya)適(shi)(shi)(shi)(shi)配(pei)(pei)器(qi)(qi)(unregulated adaptor)，典型的(de)(de)配(pei)(pei)件供貨適(shi)(shi)(shi)(shi)配(pei)(pei)器(qi)(qi)。

　　穩壓適配器的(de)輸出電(dian)壓通(tong)過(guo)(guo)內置電(dian)路(lu)提供非常(chang)優良的(de)線路(lu)及負(fu)載(zai)調節。而相(xiang)反(fan)的(de)，非穩壓適配器所(suo)提供的(de)輸出電(dian)壓則取決(jue)于負(fu)載(zai)，線路(lu)負(fu)載(zai)調節能力不強。適配器在(zai)過(guo)(guo)電(dian)流(liu)狀態下的(de)行為也有(you)所(suo)差別。穩壓適配器在(zai)進入過(guo)(guo)電(dian)流(liu)區域(yu)時通(tong)常(chang)具有(you)更為陡峭(qiao)的(de)過(guo)(guo)渡區(transition region)，如圖1所(suo)示。

　　圖1：穩壓(ya)及(ji)非穩壓(ya)型AC適配器的特(te)性(xing)

　　輸入瞬變及過(guo)電壓狀態(tai)

　　現今的(de)(de)便攜式設(she)備(bei)(bei)設(she)計于通過(guo)上述類(lei)型的(de)(de)適配(pei)器進(jin)行(xing)供(gong)電(dian)，必須整合(he)保護功能，以(yi)(yi)使得過(guo)電(dian)壓(ya)狀態下終端設(she)備(bei)(bei)的(de)(de)風(feng)險最小化。過(guo)電(dian)壓(ya)狀態可(ke)分(fen)類(lei)為兩種模式：直流過(guo)電(dian)壓(ya)以(yi)(yi)及(ji)瞬(shun)變過(guo)電(dian)壓(ya)。

　　通常情況(kuang)下，直流過(guo)電(dian)(dian)壓源(yuan)于(yu)所(suo)插(cha)入的(de)(de)(de)配(pei)件供貨或非(fei)標(biao)準適(shi)配(pei)器(qi)上(shang)錯誤的(de)(de)(de)輸出電(dian)(dian)壓。另一方面，瞬變過(guo)電(dian)(dian)壓則發生于(yu)終端(duan)設備(bei)熱插(cha)入適(shi)配(pei)器(qi)的(de)(de)(de)瞬間(jian)。瞬變過(guo)電(dian)(dian)壓可輕易的(de)(de)(de)達到2倍的(de)(de)(de)正(zheng)常適(shi)配(pei)器(qi)輸出電(dian)(dian)壓，如圖2所(suo)示。

　　圖2：5V、1A適配(pei)器（1uF及10uF輸入電容狀態下）的(de)熱插入瞬變特性

　　在適當(dang)設計時，充電(dian)(dian)器級可(ke)用(yong)于將電(dian)(dian)池(chi)(chi)和系統與外(wai)部(bu)供電(dian)(dian)源隔(ge)(ge)離，如圖3所(suo)示。在此類拓撲中，電(dian)(dian)池(chi)(chi)組(zu)及系統的正(zheng)極終端(duan)被連接至充電(dian)(dian)級的輸出。充電(dian)(dian)器功率級有(you)效的隔(ge)(ge)離了(le)外(wai)部(bu)適配器與系統供電(dian)(dian)總線(xian)。

　　圖(tu)3：充電(dian)器級將外部供電(dian)源與電(dian)池(chi)和系統隔離

　　如圖3所示的(de)拓撲(pu)可實現強健的(de)設(she)計(ji)，其充電(dian)器級(ji)整(zheng)合(he)了輸(shu)入過(guo)(guo)電(dian)壓(ya)保護(OVP)功(gong)能，可監測(ce)輸(shu)入電(dian)壓(ya)并在探測(ce)到直流過(guo)(guo)電(dian)壓(ya)狀態時使充電(dian)器級(ji)失(shi)(shi)效。當(dang)充電(dian)器級(ji)失(shi)(shi)效時，系(xi)統的(de)供電(dian)總線與適(shi)配器的(de)輸(shu)出完全隔離。對于(yu)5V的(de)穩壓(ya)適(shi)配器，輸(shu)入過(guo)(guo)電(dian)壓(ya)保護限制(zhi)通常(chang)設(she)定為(wei)6.5V。bq2406X系(xi)列提(ti)供了6.5V及10.5V的(de)選項(xiang)以同時適(shi)應于(yu)穩壓(ya)及非穩壓(ya)型的(de)適(shi)配器。

　　為隔離并保護系統及電(dian)池免受外部電(dian)源瞬變過(guo)電(dian)壓狀(zhuang)態的損害(hai)，充電(dian)器級應具有約(yue)2倍(bei)于一般(ban)額定適配器電(dian)壓的輸入(ru)電(dian)壓限定范圍。

　　需(xu)要注意的是(shi)，在(zai)上述所討論的拓(tuo)撲中，若最小化系(xi)統電(dian)(dian)流(liu)（例如(ru)待機[stand-by]模式下）高于(yu)結束(shu)(termination)電(dian)(dian)流(liu)限，則可能產生潛在(zai)的鎖定(ding)(lock out)狀態。在(zai)系(xi)統電(dian)(dian)流(liu)超過結束(shu)電(dian)(dian)流(liu)限之時(shi)，終(zhong)止(zhi)將無法(fa)進行檢(jian)測(ce)。安全(quan)計(ji)時(shi)器(qi)將被(bei)激(ji)活，充(chong)(chong)電(dian)(dian)器(qi)級將在(zai)電(dian)(dian)池充(chong)(chong)至滿容量(liang)之前就掉電(dian)(dian)(power down)。為解決該潛在(zai)的問題(ti)，bq2406X系(xi)列針(zhen)對(dui)設備在(zai)電(dian)(dian)池充(chong)(chong)電(dian)(dian)器(qi)開啟(qi)時(shi)高功(gong)率模式，提(ti)供了(le)失效及安全(quan)計(ji)時(shi)器(qi)選項，以(yi)及充(chong)(chong)電(dian)(dian)終(zhong)止(zhi)功(gong)能。

　　散(san)熱管理及失效保護(hu)

　　線(xian)性化充電器中至系統(tong)供電總線(xian)的(de)高(gao)輸入電壓差分將(jiang)導致芯片溫(wen)度上升，乃至超過最大結點(dian)溫(wen)度(junction temperature)值并產(chan)生熱燒毀。為避免該問題，此類設計必須(xu)考慮強健的(de)散熱管理配置(zhi)，同時包括(kuo)了熱關斷(thermal shutdown)及熱調(diao)節(jie)(thermal regulation)。

　　依(yi)照(zhao)一(yi)般(ban)的(de)(de)(de)規(gui)則(ze)，所(suo)有的(de)(de)(de)集(ji)成充(chong)電器IC都必須具有熱(re)(re)(re)(re)(re)關(guan)斷(duan)，一(yi)旦IC的(de)(de)(de)內部(bu)結點(dian)溫度超(chao)過(guo)最大結點(dian)溫度值，熱(re)(re)(re)(re)(re)關(guan)斷(duan)將被觸(chu)發，以確(que)保(bao)運轉過(guo)程(cheng)中(zhong)不會(hui)產生熱(re)(re)(re)(re)(re)燒毀。在(zai)典型的(de)(de)(de)應用中(zhong)，當(dang)充(chong)電電流1A而充(chong)電電壓高(gao)于(yu)電池電壓2-3V時(shi)(shi)，熱(re)(re)(re)(re)(re)關(guan)斷(duan)將被激活。激活狀態(tai)下，熱(re)(re)(re)(re)(re)關(guan)斷(duan)電路將關(guan)閉(bi)充(chong)電器功(gong)(gong)率級，以避免(mian)熱(re)(re)(re)(re)(re)燒毀。通(tong)常的(de)(de)(de)熱(re)(re)(re)(re)(re)關(guan)斷(duan)電路都具有設計上的(de)(de)(de)滯后效應。當(dang)芯片溫度降低(di)，功(gong)(gong)率級方可重新開啟。若(ruo)芯片溫度再(zai)度上升(sheng)，熱(re)(re)(re)(re)(re)關(guan)斷(duan)電路將再(zai)次被觸(chu)發。其散熱(re)(re)(re)(re)(re)所(suo)維(wei)持(chi)時(shi)(shi)間可達(da)數秒，取決于(yu)PCB的(de)(de)(de)布板，此類工作模(mo)式在(zai)以充(chong)電狀態(tai)LED指示時(shi)(shi)一(yi)般(ban)被稱為“閃(shan)光”（"flashing"）模(mo)式。

　　為解(jie)決此類散(san)熱(re)問題，可添(tian)加一個(ge)散(san)熱(re)回路，以降(jiang)低(di)(di)充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流，確保IC結點溫度低(di)(di)于熱(re)關斷(duan)限。如圖(tu)3所示，bq2406X系列線性化充(chong)電(dian)(dian)器添(tian)加了散(san)熱(re)回路以支持運轉。散(san)熱(re)回路在激活狀態下可有效(xiao)的(de)(de)降(jiang)低(di)(di)充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流，降(jiang)低(di)(di)充(chong)電(dian)(dian)器級(ji)供電(dian)(dian)MOSFET的(de)(de)功耗。

　　圖4：散熱回路(lu)在輸入(ru)電壓瞬變(bian)情況下的(de)運轉

　　需要注(zhu)意到(dao)，具有散熱回(hui)路的(de)線性化充電(dian)(dian)(dian)器在輸入電(dian)(dian)(dian)壓過高的(de)情況(kuang)下，充電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)流可降至非常低的(de)值。在此(ci)類狀況(kuang)下，失效終止(false termination)可針對充電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)流是否(fou)降至低于結束限(xian)進行檢測。為(wei)避免(mian)此(ci)問題，bq2406X將在散熱回(hui)路激活時使終止失效。

　　動態計時器控制

　　充(chong)(chong)電(dian)(dian)安(an)全(quan)計數器(qi)用于檢測(ce)失(shi)效(xiao)狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)態，如(ru)果充(chong)(chong)電(dian)(dian)周期(qi)(qi)持續超(chao)過正(zheng)常狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)態下(xia)所期(qi)(qi)望(wang)的(de)(de)總體時(shi)間(jian)，且充(chong)(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流(liu)等(deng)于額定(ding)的(de)(de)快(kuai)速(su)充(chong)(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流(liu)，則判斷失(shi)效(xiao)。在散熱(re)(re)回路(lu)激(ji)活狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)態下(xia)，充(chong)(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流(liu)降(jiang)低(di)。若是散熱(re)(re)回路(lu)在較長的(de)(de)一段(duan)時(shi)間(jian)內被激(ji)活，那么失(shi)效(xiao)安(an)全(quan)計數器(qi)的(de)(de)錯誤狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)態即可(ke)觀察(cha)得出。為避免不(bu)期(qi)(qi)望(wang)的(de)(de)錯誤狀(zhuang)(zhuang)(zhuang)態，bq2406X充(chong)(chong)電(dian)(dian)器(qi)IC采用了動態計時(shi)器(qi)控制(DTC)，其內置電(dian)(dian)路(lu)通過編程調整計時(shi)終止輸出的(de)(de)時(shi)間(jian)值(zhi)，降(jiang)低(di)安(an)全(quan)計數器(qi)的(de)(de)時(shi)鐘(zhong)效(xiao)率(lv)。DTC電(dian)(dian)路(lu)將(jiang)在散熱(re)(re)回路(lu)被激(ji)活時(shi)同(tong)時(shi)啟(qi)動。

　　散(san)(san)熱調節功能，并結(jie)合DTC電路，提(ti)供了強健的散(san)(san)熱管(guan)理及失效保(bao)護配置，以保(bao)護充電器級(ji)和系統免遭瞬變或(huo)其它過(guo)電壓狀態所造(zao)成的散(san)(san)熱錯誤。

　　在(zai)(zai)此(ci)所(suo)討論的(de)(de)(de)(de)便(bian)攜(xie)式設備(bei)在(zai)(zai)廠(chang)商之間存在(zai)(zai)著激烈(lie)的(de)(de)(de)(de)競爭(zheng)，且(qie)持續(xu)著革(ge)新及差異化。隨(sui)著便(bian)攜(xie)式設備(bei)所(suo)安置的(de)(de)(de)(de)使(shi)用環境越來(lai)越嚴苛--例如，在(zai)(zai)炎熱的(de)(de)(de)(de)夏日將電(dian)話放置在(zai)(zai)汽車內充電(dian)，或是插(cha)入了廉(lian)價的(de)(de)(de)(de)配件供貨或錯誤的(de)(de)(de)(de)適配器--終端用戶將延續(xu)其(qi)(qi)在(zai)(zai)強健性(xing)及穩(wen)定(ding)性(xing)方面(mian)對便(bian)攜(xie)式設備(bei)的(de)(de)(de)(de)挑(tiao)戰。一類(lei)產(chan)(chan)品(pin)與其(qi)(qi)它產(chan)(chan)品(pin)的(de)(de)(de)(de)主(zhu)要區(qu)別體現在(zai)(zai)當出現上(shang)述不(bu)期望的(de)(de)(de)(de)狀態(tai)時，設備(bei)的(de)(de)(de)(de)穩(wen)定(ding)性(xing)、可靠性(xing)以及強健性(xing)。系統設計工(gong)程師的(de)(de)(de)(de)職責(ze)即(ji)在(zai)(zai)于將此(ci)類(lei)因素納入考慮(lv)，以確保其(qi)(qi)產(chan)(chan)品(pin)更(geng)(geng)智能、更(geng)(geng)強且(qie)更(geng)(geng)健壯(zhuang)，以使(shi)其(qi)(qi)產(chan)(chan)品(pin)在(zai)(zai)為數眾多的(de)(de)(de)(de)產(chan)(chan)品(pin)中獨樹一幟(as "The" one)，而不(bu)是“泯(min)然眾人矣(yi)”(as "A" one)。