小型低成本上網本、超便攜 PC (UMPC) 和移動互聯網設備 (MID) 正變得越來越流行，并得到了用戶的廣泛認可。這些便攜設備中使用的鋰離子 (Li-Ion) 電池充電系統比移動電話中使用的鋰離子電池充電系統要復雜得多。理解其電池充電器的諸多要求成為提高系統安全性的關鍵。本文將討論鋰離子電池充電的許多要求，如：充電系統安全性和充電器與系統之間的性能優化等，還介紹了一個同步開關獨立電池充電器IC控制器設計實例，它擁有動態電源管理功能，用于優化上網本應用的適配器額定功率和對電池快速充電。

　　上網本是小型、輕便和低價筆記本電腦的一種快速衍生品，主要用于一般計算和訪問網絡應用。大多數上網本均使用Intel Atom 微處理器以及2～3塊串聯鋰離子電池組。

　　超便攜PC (UMPC) 擁(yong)有(you)一個(ge)(ge)功(gong)(gong)能強大(da)的處(chu)理器，擁(yong)有(you)一個(ge)(ge) 具有(you)觸摸功(gong)(gong)能的4～7英寸的顯示屏，可(ke)以運行與Windows Vista兼容的軟(ruan)件。超便攜 PC 還擁(yong)有(you)全球定位系統 (GPS) 設備、指(zhi)紋識別器、TV 調諧器以及存儲卡(ka)讀(du)卡(ka)器等。它由2～3 塊串聯鋰離子電池組供(gong)電。

　　移動互聯(lian)網設備 (MID) 是一種具(ju)有多媒體功能(neng)(neng)的手(shou)持式電(dian)腦(nao)，可以提供無(wu)線網絡訪問，具(ju)有雙(shuang)向(xiang)(xiang)通(tong)信和實時共享(xiang)功能(neng)(neng)，專為向(xiang)(xiang)個人（非企業用戶(hu)）提供娛樂(le)、資(zi)訊和定位(wei)服(fu)務(wu)而設計。MID 的外形尺寸比智(zhi)能(neng)(neng)電(dian)話大，但比 UMPC 小，通(tong)常使用一個鋰離(li)子電(dian)池(chi)組供電(dian)。

　　動態電源管理

　　電池充電電壓和(he)電流對(dui)電池(chi)使用壽(shou)命和(he)電池(chi)容量至關重要(yao)。電池(chi)充電電壓越高，電池(chi)容量也就越高。這些便(bian)攜(xie)設備因其微(wei)處(chu)理(li)器(qi)功(gong)(gong)(gong)耗(hao)很(hen)低，需要(yao)的(de)總功(gong)(gong)(gong)耗(hao)低于筆(bi)記本電腦(nao)，所用的(de)電源適(shi)(shi)配(pei)器(qi)功(gong)(gong)(gong)率(lv)一(yi)般在(zai) 40 瓦以下，而筆(bi)記本電腦(nao)通常使用 60 瓦和(he) 90 瓦的(de)適(shi)(shi)配(pei)器(qi)。但(dan)是，仍(reng)然要(yao)求這種適(shi)(shi)配(pei)器(qi)在(zai)給電池(chi)充電的(de)同時為(wei)系統供(gong)電，從而最(zui)(zui)小化(hua)適(shi)(shi)配(pei)器(qi)額(e)定功(gong)(gong)(gong)率(lv)。由于微(wei)處(chu)理(li)器(qi)的(de)高脈動功(gong)(gong)(gong)率(lv)特性(xing)，電池(chi)充電以及為(wei)微(wei)處(chu)理(li)器(qi)提(ti)供(gong)最(zui)(zui)大功(gong)(gong)(gong)率(lv)所要(yao)求的(de)總功(gong)(gong)(gong)率(lv)輕易便(bian)超出了適(shi)(shi)配(pei)器(qi)的(de)最(zui)(zui)大可用功(gong)(gong)(gong)率(lv)。

　　為了優化系統和電池充電器，我們通過引入最(zui)(zui)大適配器(qi)(qi)電(dian)(dian)流(liu)(liu)調(diao)(diao)節(jie)環(huan)路使用了動(dong)態電(dian)(dian)源管理 (DPM) 功(gong)能(neng)。如果輸(shu)入適配器(qi)(qi)電(dian)(dian)流(liu)(liu)達(da)到了調(diao)(diao)節(jie)閾(yu)值，則電(dian)(dian)池(chi)充電(dian)(dian)器(qi)(qi)自動(dong)降低有效充電(dian)(dian)電(dian)(dian)流(liu)(liu)，同(tong)時(shi)優先為系統供電(dian)(dian)，以(yi)(yi)使其不超出適配器(qi)(qi)的最(zui)(zui)大功(gong)率極限。在為系統供電(dian)(dian)以(yi)(yi)后，剩(sheng)余功(gong)率用于對電(dian)(dian)池(chi)充電(dian)(dian)。一旦(dan)脈沖(chong)功(gong)率終止，充電(dian)(dian)器(qi)(qi)便自動(dong)恢復(fu)最(zui)(zui)快(kuai)充電(dian)(dian)模式，以(yi)(yi)縮短(duan)充電(dian)(dian)時(shi)間（圖(tu)1）。一種重要的規范是輸(shu)入電(dian)(dian)流(liu)(liu)調(diao)(diao)節(jie)精度。輸(shu)入電(dian)(dian)流(liu)(liu)調(diao)(diao)節(jie)精度越高，適配器(qi)(qi)提供的功(gong)率越多，同(tong)時(shi)電(dian)(dian)池(chi)充電(dian)(dian)的速(su)度也就(jiu)越快(kuai)。

圖 1  動(dong)態電(dian)(dian)源管理的電(dian)(dian)池充(chong)電(dian)(dian)結構圖

　　計算系統和電池充電器安全性

　　a、適配器輸入和電池過壓保護 (OVP)

　　就筆記本電腦而言，一般使用19-V和16-V的適配器，而5-V 適配器則普遍用于智能電話。上網本、UMPC和MID通常使用這些適配器來節省開發成本，但其往往不要求19V 適配器對1到3節串聯電池組充電。此外，IEEE P1725 要求系統包括輸入適配器和電池 OVP。如果這些便攜式設備遇到過輸入電壓，則其會阻止您開啟系統。如果電池過充，則立即關閉電池充電器。如果出現逆(ni)向(xiang)適配器電壓，也不能開(kai)啟系統(tong)。

　　b、電池充電安全性

　　在(zai)極(ji)低或極(ji)高(gao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)溫(wen)度條(tiao)件下(xia)對鋰(li)離子電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)充(chong)電(dian)(dian)(dian)是很危險的(de)(de)。當電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)在(zai)4.3V溫(wen)度達(da)到 175oC 時，LiCoO2 負極(ji)材料的(de)(de)鋰(li)離子電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)可(ke)能會爆炸。已發布的(de)(de)許多工業電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)充(chong)電(dian)(dian)(dian)器安全(quan)規定（例如(ru)：日本電(dian)(dian)(dian)子和信息技術(shu)行業協會 (JEITA) 等）通過(guo)減少(shao)低或高(gao)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)溫(wen)度下(xia)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)充(chong)電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)流和電(dian)(dian)(dian)壓來(lai)達(da)到電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)安全(quan)充(chong)電(dian)(dian)(dian)的(de)(de)目的(de)(de)。

　　要開始充(chong)(chong)電(dian)過程(cheng)，一(yi)般電(dian)池(chi)充(chong)(chong)電(dian)溫度(du)范圍在 0oC ～40oC 之間。因此，必(bi)須通過電(dian)量監(jian)測(ce)計(ji)或充(chong)(chong)電(dian)器(qi)來監(jian)測(ce)電(dian)池(chi)溫度(du)。電(dian)池(chi)充(chong)(chong)電(dian)系統失(shi)效(xiao)時，安(an)全(quan)定時器(qi)是(shi)另一(yi)層保護(hu)。當(dang)安(an)全(quan)定時器(qi)終止時，電(dian)池(chi)便停止充(chong)(chong)電(dian)。

　　c、電池充電器輸出短路和過充電流保護

　　對于一些計算應用來說，最為(wei)常用的鋰離(li)子電(dian)(dian)(dian)池(chi)是具有 2200-2600mAh 容量的 18650 鋰離(li)子電(dian)(dian)(dian)池(chi)。12-V 或 19-V 適配(pei)器在(zai) 0.7oC 充(chong)電(dian)(dian)(dian)率情(qing)況下，充(chong)電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)流約為(wei) 2-4A。高效充(chong)電(dian)(dian)(dian)要(yao)求(qiu)同步開關降壓型拓撲。其還要(yao)求(qiu)在(zai)出現元件故障或非正常運行(xing)狀態（例(li)如：充(chong)電(dian)(dian)(dian)器輸出短路或電(dian)(dian)(dian)感(gan)短路等(deng)）時有一個無煙(yan)充(chong)電(dian)(dian)(dian)系統。充(chong)電(dian)(dian)(dian)器需要(yao)有此類保護機制來防止(zhi)起(qi)火或冒煙(yan)。

　　上網本、UMPC 和 MID 的電池充電器解決方案

　　根(gen)據(ju)系統優化和安全要(yao)求，圖2顯(xian)示(shi)了一(yi)款適(shi)用于(yu)上網本(ben)應用且(qie)具有動態電(dian)(dian)源(yuan)管理功能(neng)的獨立型高(gao)效(xiao)同步開關鋰離子電(dian)(dian)池(chi)充(chong)(chong)電(dian)(dian)器(qi)。這種設計示(shi)例使用200mA預充(chong)(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流(liu)和2A快速充(chong)(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流(liu)以(yi)及 3 小時安全定時器(qi)來對(dui)2節鋰離子電(dian)(dian)池(chi)充(chong)(chong)電(dian)(dian)。通(tong)過監測輸入電(dian)(dian)流(liu)感應電(dian)(dian)阻R1兩端的壓(ya)(ya)降(jiang)實(shi)現DPM功能(neng)。同步開關充(chong)(chong)電(dian)(dian)器(qi)以(yi)600kHz 的開關頻率工作，以(yi)優化效(xiao)率和解(jie)決方案尺寸。外部(bu)電(dian)(dian)阻分壓(ya)(ya)器(qi)R11和R12用于(yu)設置理想(xiang)的電(dian)(dian)池(chi)充(chong)(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)。要(yao)想(xiang)獲得最(zui)大的電(dian)(dian)池(chi)容量，請(qing)將外部(bu)電(dian)(dian)阻分壓(ya)(ya)器(qi)設置為每節電(dian)(dian)池(chi) 4.2V 的充(chong)(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)。

　　如(ru)欲獲得(de)最長電池(chi)(chi)使用壽命，請將(jiang)電池(chi)(chi)充電電壓(ya)設置為每節(jie)電池(chi)(chi)4.1V。通過(guo)讓外部功(gong)率 MOSFET 適(shi)合于許多沒有(you)主(zhu)控(kong)制器的(de)不同電池(chi)(chi)充電應(ying)用，這種情(qing)況可以(yi)將(jiang)1到6節(jie)鋰離(li)子串聯電池(chi)(chi)充至10A。其(qi)還擁有(you)其(qi)他保護(hu)功(gong)能，例如(ru)：輸入(ru)過(guo)壓(ya)、電池(chi)(chi)充電過(guo)壓(ya)、電池(chi)(chi)短(duan)路、過(guo)充電電流保護(hu)等(deng)，并自動(dong)監測電池(chi)(chi)溫度，以(yi)達到安全充電的(de)目的(de)。

圖2 上網本充(chong)電器設計實(shi)例(li)

　　隨著便攜式計算設(she)備的(de)發(fa)展，其擁有了更多的(de)特性，這時(shi)電池充電和(he)系統設(she)計便成(cheng)為獲得高安(an)全(quan)和(he)高性能系統最重(zhong)要的(de)設(she)計因素。