近年來，智能手機,、平板電腦等便攜設(shè)備市場強勁發(fā)展,，更大尺寸的屏幕日漸流行，消費者對應(yīng)用處理器,、圖形處理器及外設(shè)的電源管理體驗的要求越來越高,。這些促使便攜設(shè)備采用更大容量的電池，如一些最新智能手機配備了2000 mAh甚至達3000 mAh電池,，電池生態(tài)系統(tǒng)趨勢也隨之發(fā)生了重大變化,。
此外，許多便攜設(shè)備的輸入連接也從專有方案轉(zhuǎn)為微型USB插口,；USB供電(rev 1.0 Jul 2012) 標準的發(fā)布,，更能適應(yīng)最新的便攜設(shè)備USB端口的供電要求。這些都迫切需要既可提高能效又滿足上述要求的技術(shù)解決方案,。推動高能效創(chuàng)新的安森美半導(dǎo)體新推出了NCP185x系列開關(guān)電池充電方案,，幫助設(shè)計工程師應(yīng)對便攜設(shè)備大容量電池的快速充電挑戰(zhàn)，并幫助優(yōu)化用戶體驗,。
采用新穎的自動輸入限流器(AICL)技術(shù)實現(xiàn)更快速充電
電池充放電管理在便攜設(shè)備設(shè)計的合理性和可靠性方面至關(guān)重要,。電池充放電的挑戰(zhàn)之一是需要強固性、高能效及快速充電時間來滿足當(dāng)今高性能,、空間受限型應(yīng)用的要求,。而大容量電池需要更大的充電電流來縮短充電時間。
傳統(tǒng)線性電池充電方式(包括脈沖方式)在大電流下存在效率較低,、發(fā)熱量大等問題,。與線性解決方案相比，開關(guān)充電方案有明顯的優(yōu)勢,，如可從輸入轉(zhuǎn)換更多的電能至輸出,；工作能效更高，可降低能耗及簡化手機設(shè)計,；在輸入源受限時(如采用5 V,，500 mA USB端口充電)，能提供更大的電流,。綜合上述優(yōu)勢,，開關(guān)電池充電器件的充電速度可比線性電池充電器快30%。
由于手機等設(shè)備無法知道用戶使用的電源適配器或USB端口的負載電流能力,，所以充電管理器件必須具有檢測適配器或USB端口負載電流的功能,，以確保手機設(shè)備在安全電流條件下工作。在充電結(jié)束后，充電管理器件應(yīng)斷開與系統(tǒng)的連接,，系統(tǒng)從外部電源取電,；只有當(dāng)外部電源移出時，系統(tǒng)才從電池取電,。
安森美半導(dǎo)體的NCP185x系列開關(guān)電池充電器件就是一種新的充電技術(shù)。其充電過程迅速,，具有自動輸入限流(AICL)功能,；在充電結(jié)束時還可自動斷開電池連接，延長電池壽命,。它可以提供更大的輸出電流,，效率高達85％，發(fā)熱量小,，實現(xiàn)更快,、更安全高效的充電，有助于提升用戶體驗,；還可以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性,，簡化系統(tǒng)設(shè)計。
NCP185x系列在輸入源受限的情況下,，采用符合100 mA,、500 mA、900 mA或1.5 AUSB充電規(guī)范的輸入電流限制器,，利用自動檢測模式在最大充電電流時進行調(diào)整,，使其適應(yīng)輸入源的能力，并可縮短最少達10分鐘的總體充電時間,。
圖1：利用自動輸入限流縮短總體充電時間
充電結(jié)束時自動斷開電池連接,，延長電池使用壽命
不少用戶經(jīng)常抱怨電池壽命短，許多便攜系統(tǒng)的電池壽命在使用幾個月后就受到明顯影響,，原因是電池在充電結(jié)束后還一直在充電,。優(yōu)化電池總體壽命的方法是在充電結(jié)束時電池連接即自動斷開。安森美半導(dǎo)體NCP185x帶有充放電路徑管理功能,，可以在系統(tǒng)充電結(jié)束時自動斷開電池連接,，系統(tǒng)僅從外部帶有適配器或USB端口取電，僅在出現(xiàn)峰值電流活動(大于外部電源適配器所能提供的電流,，如使用GSM)時,，才導(dǎo)通電池與系統(tǒng)之間連接，短時間從系統(tǒng)補充電流,，其他時間電池與系統(tǒng)保持管理,。在外部電源連接情況下，系統(tǒng)優(yōu)先從外部適配器取電，以保存電池電量,，延長電池使用時間,，如圖2所示。
圖2：充電結(jié)束時自動斷開電池連接
如果使用不帶充放電路徑管理的器件,，充電結(jié)束后,，充電模塊關(guān)閉，系統(tǒng)開始從電池取電,，電池電壓隨之降低,，一旦電壓降低到一個門限值，充電周期重新開始,，使電池經(jīng)常處于充放電,、再充電循環(huán)之中，容易造成電池過早老化,。
即時導(dǎo)通技術(shù)改善用戶體驗
電池充電的另一個挑戰(zhàn)是需要改善用戶體驗,。用戶時常有這樣的疑問：為什么電池電量低時我要充電5分鐘后系統(tǒng)才能導(dǎo)通系統(tǒng)？這是因為當(dāng)用戶連接便攜設(shè)備充電的同時,，通常也需要使用設(shè)備,。令人尷尬的是，即使是最新型設(shè)備也要求約5分鐘的初始充電,，然后才允許系統(tǒng)啟動及使用,。如果采用雙路徑管理(DPM)技術(shù)，即可在插入充電線纜時立即導(dǎo)通便攜設(shè)備,。
NCP185x系列就應(yīng)用了這樣的即時導(dǎo)通系統(tǒng)技術(shù),，由于器件內(nèi)集成的電流源可為電池充電，即使電池電壓非常低,，當(dāng)用戶插入電源適配器時,，也可使系統(tǒng)電壓保持在3.6V，讓系統(tǒng)立即開啟,，無需等待,；另外，內(nèi)部集成的一個5 V升壓器支持USB On-The-Go(OTG)反向供電,，或用于HDMI接口的DDC電壓供電,，可以一邊安全地給電池充電，一邊單獨為系統(tǒng)供電,，如圖3所示,。當(dāng)電池電壓達到3.4 V時預(yù)充電結(jié)束，外部充電MOS管導(dǎo)通,，系統(tǒng)電壓跟隨電池電壓,。傳統(tǒng)充電器在電池電量低時,，電池需要預(yù)充電一段時間，等待電池電壓恢復(fù)到最低電壓以上才能開機,。
圖3：插入充電線纜時即時導(dǎo)通便攜設(shè)備
安森美半導(dǎo)體的器件還支持死電池激活,。當(dāng)電池電壓低于2.2 V時，開關(guān)充電器件提供10 mA小電流激活電池,。此時系統(tǒng)仍可立即開機,。
支持USB OTG附件
對于平板電腦來說，通常需要支持USB OTG功能,。USB OTG附件要求便攜設(shè)備在USB事務(wù)處理中充當(dāng)USB主機,，在VBUS線路上提供5 V輸出電壓，供外設(shè)使用,；一些智能手機帶有HDMI輸出接口，也需要一個5 V DDC電壓,。這通常要使用外部升壓直流-直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換器將電池電壓升壓至5 V,、500 mA的穩(wěn)壓電壓軌。NCP185x系列器件集成了一個5 V升壓器,，能支持USB OTG附件或HDMI輸出接口,，最大提供500 mA電流，并省去了一個外部升壓轉(zhuǎn)換器,。NCP185x系列接地的ID引腳可以識別USB OTG附件,，應(yīng)用反向升壓轉(zhuǎn)換器來提供5 V、500 mA輸出,，不僅可以支持USB OTG功能,，還可以為物料單(BOM)節(jié)省1顆額外電感。
圖4：支持USB OTG功能
多管齊下保證設(shè)備的安全性
另一個電池充電的挑戰(zhàn)是要保證設(shè)備安全性不受影響,。NCP185x系列采用了多種安全措施來實現(xiàn)這一目標,，包括正向及負向嵌入式過壓保護(OVP)、內(nèi)部結(jié)溫傳感器及管理,，以及外部電池負溫度系數(shù)(NTC)及JEITA管理,，而且可提供事件報告機制，將插入,、過壓,、過熱、過冷,、充電周期狀態(tài),、充電開始、充電完成等報告給CPU進行相應(yīng)處理,。
獨特的正向及負向過壓保護可防止新便攜設(shè)備受到過壓的損壞,。線纜及充電器都是一般商品,，在廉價的零配件市場就可以買到，出現(xiàn)故障的可能性很高,。充電源可以是交流適配器(電壓達20 V),、計算機USB端口(通常12 V-20 V)、小汽車車載套件(典型值12 V)或卡車(典型值24 V),，因此只有強固的正向28 V過壓保護才可以保護設(shè)備的安全,，且在上述所有應(yīng)用場景下都提供足夠的裕量。NCP185x系列可提供+28 V過壓保護,，可防止充電器故障或熱插拔時過高的浪涌電壓損壞開關(guān)充電器件,；此外還有一種情況，在出現(xiàn)插口/連接器故障時,，VIN和GND可能反向,，NCP1852率先提供了-20 V OVP能力以幫助保護正在充電的手機。
NCP185x系列具有電池溫度監(jiān)測功能,，可監(jiān)測4個溫度區(qū)(根據(jù)JEITA規(guī)范)：冷＜+5℃,，不充電；正常溫度+5℃至+45℃,，滿額充電,；熱＞45℃，降低充電電流,；燙＞65℃,，不充電，從而確保電池充電過程不會過熱,、起火和爆炸,。電池溫度監(jiān)測功能是完全可軟件編程的。
圖4：4個溫度區(qū)的電池溫度監(jiān)測
NCP185x系列還可以將充電操作的變化或意料之外的故障報告給外部FLAG引腳,，以便中斷充電,；應(yīng)用處理器可以通過I2C啟動充電控制及充電周期，且配合報告充電事件,。
寬廣陣容的NCP185x系列應(yīng)對不同需求
安森美半導(dǎo)體提供豐富的開關(guān)電池充電器件產(chǎn)品陣容來應(yīng)對便攜設(shè)備的充電挑戰(zhàn),。NCP185x系列目前包括的NCP1850、NCP1851和NCP1852三款產(chǎn)品都可以滿足這一要求,，并又各有特色,。今后，這系列產(chǎn)品還將增加更多產(chǎn)品,，支持更大充電電流,，配合用戶的更廣泛需求。
圖5：安森美半導(dǎo)體NCP185x系列開關(guān)電池充電器產(chǎn)品架構(gòu)
其中,，NCP1851是一款低高度,、1.6 A,、極具創(chuàng)新的開關(guān)電池充電器，允許使用功率有限的電源,，如標準墻壁充電器和USB,；NCP1852是首款帶+28V/-20V OVP的1.8ASBC，允許使用高功率墻壁充電器和USB等電源,；NCP1850則是帶雙路徑的最小尺寸1.5 ASBC,，允許以低系統(tǒng)成本使用標準墻充電器和USB等功率有限的電源。
以NCP1851為例,，它是一款完全可編程的鋰離子開關(guān)電池充電器件,，可大幅縮短充電時間，延長電池使用時間,，并增添了先進的啟動功能,。該器件集成了動態(tài)電源路徑管理功能，在電池電量低的情況下能迅速導(dǎo)通系統(tǒng),，對已深度放電的電池充電,。該器件的內(nèi)部結(jié)溫傳感器，以及外部負溫度系數(shù)熱敏電阻通過將專用中斷傳達給I2C控制總線來確保系統(tǒng)安全充電,。NCP1851提供USB OTG模式，無需另一個升壓轉(zhuǎn)換器,，即可將電源配件插入USB端口,。NCP1851提供1.6 A充電能力，尺寸僅為2.2×2.55 mm,，用于符合USB標準的最新輸入電源及大容量電池,，能在90分鐘內(nèi)完成1,650 mAh、4.2 V鋰離子電池的完整充電周期,。
NCP1851與NCP185x系列的其他產(chǎn)品一樣,，比競爭產(chǎn)品有更高的過壓保護能力、更大的充電電流,，以及更大的USB OTG反向輸入電流能力,，支持態(tài)路徑管理及電池激活功能。這些新器件所具有的快速充電時間性能及先進的功能組合,，能以單芯片方案簡單地融入到最新USB充電設(shè)計中,，為提升智能手機、平板電腦及其它手持設(shè)備(包括便攜醫(yī)療產(chǎn)品)的能效,，實現(xiàn)這些產(chǎn)品的更高集成度,、小型化、易用性,、便攜性和耐久性提供了完善的解決方案,，也使安森美半導(dǎo)體的開關(guān)電池充電器件贏得了更多主要客戶的青睞和采用,。
總結(jié)：
智能手機及平板電腦等便攜設(shè)備越來越趨向采用更大容量的電池以配合大屏幕背光及多內(nèi)核處理器工作對電池電量的更高需求。與此同時,，用戶需要快速的充電時間,，且可能在充電時使用設(shè)備，還期望延長電池使用壽命及支持USB OTG附件等,。安森美半導(dǎo)體的NCP185x系列大電流開關(guān)電池充電器幫助設(shè)計人員解決這些挑戰(zhàn),，不僅更快速高速地充電，還提供豐富保護特性,，優(yōu)化用戶體驗,，幫助設(shè)計人員開發(fā)出更具競爭力的便攜產(chǎn)品。