电池充电器IC的改进使移动手机功能的同步快速增长

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作者:Intersil    Giampaolo MarinoTamara Schmitz

 

今天是一个全球无线互联的时代,几乎没有什么比保持智能手机或移动互联网设备的充电那么重要。不断改善的便携式和手持式设备扩展的功能带给电池充电器集成电路(IC)设计人员一个严峻的挑战。高分辨率屏幕和更大的存储能力结合电池所具备的新功能,都需要电池充电器技术不仅更高效,还要能够管理电源分配。

 

功耗的优化可以延长电池寿命,这一直是手持式电源管理的动力。但是,当把手持式设备的充电器插座插进墙壁时,怎样的改变才是这些设备期望的效率呢?最新一代设备的设计采用了高效率的开关充电器,以取代传统的线性充电器。当对电池充电时,现在客户不断要求更短的充电时间。使用开关充电器解决方案可以比传统的线性充电器有更高的效率,此外,一个重要优势是能够提高由电源提供的充电电流。在USB端口断电时,可用的电流可能被限制在不到500mA,这个优势尤其重要。

 

充电电流越高,充电时间就越短,因此可以满足客户的期望。

 

 

1. 单节锂离子电池应用的典型充电曲线

(图字:ISL9220V2充电,时间(s))

 

现在,大多数手持式设备都采用了两种电池充电器,一种是线性充电器,另一种是开关装置。线性充电器有已有较长的历史。这类充电器通常具备一个比较有效的、简单的方法为便携式设备充电,噪声最小,又没有很多外部元件。但是,便携式设备已变得越来越复杂,增加了很多新的功能,所以需要更高的电池容量。很明显,如果用户想要在使用设备的同时给充电,由于功耗的缘故,线性充电器存在着一些弊端。在使用的同时充电所产生的热量可能损坏系统或电池。这不是一个好现象。

另一种选择是开关装置或开关模式电池充电器IC,它可以为电池提供更高水平的电流,而需要尽可能少的电力。从过往的经验看,这类IC曾经存在一些噪声问题。此外,前几代的一些开关式装置还需要更多的外部元件。

然而,开关式电池拓扑结构的优势也是显而易见。这些优势包括更高的效率和更低的功耗,还有更短的充电时间。这些装置还能利用较高的输入电压充电,可以使用成本较低的非稳压适配器。这类装置可以提高来自限流电流源的充电电流。

 

在轻负载运行时,开关充电器通常会产生噪声,特别是在预处理过程中。随着噪声的减少,许多开关充电器可进入众所周知的跳脉冲(pulse skipping)运行。在跳脉冲中,PWM频率变为异步。目前开发的电池充电器IC可提供高充电电流,对使用开关充电器的系统的热影响也最小,然后可以在低电流充电模式下切换到线性充电器,以尽量减少噪声。这种类型的线性模式的PWM开关模式充电器有了长足的发展,可以在全恒流(快速充电)率下实现高效率。开关充电器可以利用PWM开关稳压器控制高达2A的大恒流充电。它可以自动切换到线性模式,对电池进行预处理,并接近恒压减流充电(taper charge模式的目标,从而降低噪声,并利用开关模式加快充电。一旦充电电流值低于300mA,线性模式即完全取消,同时限制开关转换器产生的噪声。

 

2. 采用ISL9220充电器IC的单节锂离子电池应用效率曲线实例

 

但是,现在充电技术有了进一步的发展。例如,新型手持式设备的理想解决方案是一个用于单节锂离子/聚合物电池的完整的充电器,其充电电流高达1A,具备先进的显示功能,可以实现全程充电系统监控。符合USB标准的100mA/500mA充电电流设置有助于实现可编程预充电和快速充电。许多产品还具备电池温度监测功能,以确保安全充电。

Intersil等公司正在引领新一代充电器IC的发展。这些完全集成的解决方案适合紧凑的应用,可以实现更高功率应用的充电控制器。目前,充电电压精度在短短几年前得到了改善,已达到0.5%,而当时1%的精度已被认为很好。新的开关充电器的开关频率可高达3MHz,现在可以提供高达2A的充电电流,最新的一个例子是适用于一节和两节锂离子电池的应用的Intersil公司的ISL9220

3. 用于单节锂离子电池应用的ISL9220典型应用电路

 

另外,新设计还可以限制泄漏,即在没有加上输入功率时,现在流出电池的典型泄漏电流已低于0.5uA。这些改进也可以用越来越小的封装实现,如4mm×4mm QFN2mm×2mm CSP,这些封装可以节省空间受限的手持式设备的电路板空间。

这类最新的电池充电器IC还能够监视输入电压、电池电压和充电电流。当三个参数中任意一个超出特定限额时,该IC就会关闭内部N沟道MOSFET,使充电系统停止对电池的充电。现在,离子电池充电器共有的功能选项包括输入过压保护、安全计时器、温度合格的充电NTC输入和电池检测功能。现在还流行USB充电电流选择(100/500mA)并USB休眠(suspend)模式达标。

 

这些特点反映了目前这些重要器件在可用性方面的持续改善,这对移动、手持式设备产品的持续增长和功能集的扩展至关重要。