小型低成本上網(wǎng)本、超便攜 PC (UMPC) 和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備 (MID) 正變得越來(lái)越流行，并得到了用戶的廣泛認(rèn)可。這些便攜設(shè)備中使用的鋰離子 (Li-Ion) 電池充電系統(tǒng)比移動(dòng)電話中使用的鋰離子電池充電系統(tǒng)要復(fù)雜得多。理解其電池充電器的諸多要求成為提高系統(tǒng)安全性的關(guān)鍵。本文將討論鋰離子電池充電的許多要求，如：充電系統(tǒng)安全性和充電器與系統(tǒng)之間的性能優(yōu)化等，還介紹了一個(gè)同步開關(guān)獨(dú)立電池充電器IC控制器設(shè)計(jì)實(shí)例，它擁有動(dòng)態(tài)電源管理功能，用于優(yōu)化上網(wǎng)本應(yīng)用的適配器額定功率和對(duì)電池快速充電。
上網(wǎng)本是小型、輕便和低價(jià)筆記本電腦的一種快速衍生品，主要用于一般計(jì)算和訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。大多數(shù)上網(wǎng)本均使用Intel Atom 微處理器以及2～3塊串聯(lián)鋰離子電池組。
超便攜PC (UMPC) 擁有一個(gè)功能強(qiáng)大的處理器，擁有一個(gè) 具有觸摸功能的4～7英寸的顯示屏，可以運(yùn)行與Windows Vista兼容的軟件。超便攜 PC 還擁有全球定位系統(tǒng) (GPS) 設(shè)備、指紋識(shí)別器、TV 調(diào)諧器以及存儲(chǔ)卡讀卡器等。它由2～3 塊串聯(lián)鋰離子電池組供電。
移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備 (MID) 是一種具有多媒體功能的手持式電腦，可以提供無(wú)線網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)，具有雙向通信和實(shí)時(shí)共享功能，專為向個(gè)人(非企業(yè)用戶)提供娛樂(lè)、資訊和定位服務(wù)而設(shè)計(jì)。MID 的外形尺寸比智能電話大，但比 UMPC 小，通常使用一個(gè)鋰離子電池組供電。
動(dòng)態(tài)電源管理
電池充電電壓和電流對(duì)電池使用壽命和電池容量至關(guān)重要。電池充電電壓越高，電池容量也就越高。這些便攜設(shè)備因其微處理器功耗很低，需要的總功耗低于筆記本電腦，所用的電源適配器功率一般在 40 瓦以下，而筆記本電腦通常使用 60 瓦和 90 瓦的適配器。但是，仍然要求這種適配器在給電池充電的同時(shí)為系統(tǒng)供電，從而最小化適配器額定功率。由于微處理器的高脈動(dòng)功率特性，電池充電以及為微處理器提供最大功率所要求的總功率輕易便超出了適配器的最大可用功率。
為了優(yōu)化系統(tǒng)和電池充電器，我們通過(guò)引入最大適配器電流調(diào)節(jié)環(huán)路使用了動(dòng)態(tài)電源管理 (DPM) 功能。如果輸入適配器電流達(dá)到了調(diào)節(jié)閾值，則電池充電器自動(dòng)降低有效充電電流，同時(shí)優(yōu)先為系統(tǒng)供電，以使其不超出適配器的最大功率極限。在為系統(tǒng)供電以后，剩余功率用于對(duì)電池充電。一旦脈沖功率終止，充電器便自動(dòng)恢復(fù)最快充電模式，以縮短充電時(shí)間(圖1)。一種重要的規(guī)范是輸入電流調(diào)節(jié)精度。輸入電流調(diào)節(jié)精度越高，適配器提供的功率越多，同時(shí)電池充電的速度也就越快。
動(dòng)態(tài)電源管理的電池充電結(jié)構(gòu)圖" src="http://files.chinaaet.com/images/2012/08/18/a1c63b1c-b4aa-4210-b7b7-5c06da73ed0f.jpg" />
圖 1 動(dòng)態(tài)電源管理的電池充電結(jié)構(gòu)圖
計(jì)算系統(tǒng)和電池充電器安全性
a、適配器輸入和電池過(guò)壓保護(hù) (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(wǎng)本、UMPC和MID通常使用這些適配器來(lái)節(jié)省開發(fā)成本，但其往往不要求19V 適配器對(duì)1到3節(jié)串聯(lián)電池組充電。此外，IEEE P1725 要求系統(tǒng)包括輸入適配器和電池 OVP。如果這些便攜式設(shè)備遇到過(guò)輸入電壓，則其會(huì)阻止您開啟系統(tǒng)。如果電池過(guò)充，則立即關(guān)閉電池充電器。如果出現(xiàn)逆向適配器電壓，也不能開啟系統(tǒng)。
b、電池充電安全性
在極低或極高電池溫度條件下對(duì)鋰離子電池充電是很危險(xiǎn)的。當(dāng)電池在4.3V溫度達(dá)到 175oC 時(shí)，LiCoO2 負(fù)極材料的鋰離子電池可能會(huì)爆炸。已發(fā)布的許多工業(yè)電池充電器安全規(guī)定(例如：日本電子和信息技術(shù)行業(yè)協(xié)會(huì) (JEITA) 等)通過(guò)減少低或高電池溫度下的電池充電電流和電壓來(lái)達(dá)到電池安全充電的目的。
要開始充電過(guò)程，一般電池充電溫度范圍在 0oC ～40oC 之間。因此，必須通過(guò)電量監(jiān)測(cè)計(jì)或充電器來(lái)監(jiān)測(cè)電池溫度。電池充電系統(tǒng)失效時(shí)，安全定時(shí)器是另一層保護(hù)。當(dāng)安全定時(shí)器終止時(shí)，電池便停止充電。
c、電池充電器輸出短路和過(guò)充電流保護(hù)
對(duì)于一些計(jì)算應(yīng)用來(lái)說(shuō)，最為常用的鋰離子電池是具有 2200-2600mAh 容量的 18650 鋰離子電池。12-V 或 19-V 適配器在 0.7oC 充電率情況下，充電電流約為 2-4A。高效充電要求同步開關(guān)降壓型拓?fù)?。其還要求在出現(xiàn)元件故障或非正常運(yùn)行狀態(tài)(例如：充電器輸出短路或電感短路等)時(shí)有一個(gè)無(wú)煙充電系統(tǒng)。充電器需要有此類保護(hù)機(jī)制來(lái)防止起火或冒煙。
上網(wǎng)本、UMPC 和 MID 的電池充電器解決方案
根據(jù)系統(tǒng)優(yōu)化和安全要求，圖2顯示了一款適用于上網(wǎng)本應(yīng)用且具有動(dòng)態(tài)電源管理功能的獨(dú)立型高效同步開關(guān)鋰離子電池充電器。這種設(shè)計(jì)示例使用200mA預(yù)充電電流和2A快速充電電流以及 3 小時(shí)安全定時(shí)器來(lái)對(duì)2節(jié)鋰離子電池充電。通過(guò)監(jiān)測(cè)輸入電流感應(yīng)電阻R1兩端的壓降實(shí)現(xiàn)DPM功能。同步開關(guān)充電器以600kHz 的開關(guān)頻率工作，以優(yōu)化效率和解決方案尺寸。外部電阻分壓器R11和R12用于設(shè)置理想的電池充電電壓。要想獲得最大的電池容量，請(qǐng)將外部電阻分壓器設(shè)置為每節(jié)電池 4.2V 的充電電壓。
如欲獲得最長(zhǎng)電池使用壽命，請(qǐng)將電池充電電壓設(shè)置為每節(jié)電池4.1V。通過(guò)讓外部功率 MOSFET 適合于許多沒有主控制器的不同電池充電應(yīng)用，這種情況可以將1到6節(jié)鋰離子串聯(lián)電池充至10A。其還擁有其他保護(hù)功能，例如：輸入過(guò)壓、電池充電過(guò)壓、電池短路、過(guò)充電電流保護(hù)等，并自動(dòng)監(jiān)測(cè)電池溫度，以達(dá)到安全充電的目的。
圖2 上網(wǎng)本充電器設(shè)計(jì)實(shí)例
隨著便攜式計(jì)算設(shè)備的發(fā)展，其擁有了更多的特性，這時(shí)電池充電和系統(tǒng)設(shè)計(jì)便成為獲得高安全和高性能系統(tǒng)最重要的設(shè)計(jì)因素。