安森美半导体新系列开关电池充电方案应对便携设备充电挑战

2013年01月07日10:31:11 本网站我要评论(2)字号：T | T | T

近年来，智能手机、平板电脑等便携设备市场强劲发展，更大尺寸的屏幕日渐流行，消费者对应用处理器、图形处理器及外设的电源管理体验的要求越来越高。这些促使便携设备采用更大容量的电池，如一些较新智能手机配备了2000 mAh甚至达3000 mAh电池，电池生态系统趋势也随之发生了重大变化。

此外，许多便携设备的输入连接也从专有方案转为微型USB插口；USB供电(rev 1.0 Jul 2012) 标准的发布，更能适应较新的便携设备USB端口的供电要求。这些都迫切需要既可提高能效又满足上述要求的技术解决方案。推动高能效创新的安森美半导体新推出了NCP185x系列开关电池充电方案，帮助设计工程师应对便携设备大容量电池的快速充电挑战，并帮助优化用户体验。

采用新颖的自动输入限流器(AICL)技术实现更快速充电

电池充放电管理在便携设备设计的合理性和可靠性方面至关重要。电池充放电的挑战之一是需要强固性、高能效及快速充电时间来满足当今高性能、空间受限型应用的要求。而大容量电池需要更大的充电电流来缩短充电时间。

传统线性电池充电方式(包括脉冲方式)在大电流下存在效率较低、发热量大等问题。与线性解决方案相比，开关充电方案有明显的优势，如可从输入转换更多的电能至输出；工作能效更高，可降低能耗及简化手机设计；在输入源受限时(如采用5 V，500 mA USB端口充电)，能提供更大的电流。综合上述优势，开关电池充电器件的充电速度可比线性电池充电器快30%。

由于手机等设备无法知道用户使用的电源适配器或USB端口的负载电流能力，所以充电管理器件必须具有检测适配器或USB端口负载电流的功能，以确保手机设备在安全电流条件下工作。在充电结束后，充电管理器件应断开与系统的连接，系统从外部电源取电；只有当外部电源移出时，系统才从电池取电。

安森美半导体的NCP185x系列开关电池充电器件就是一种新的充电技术。其充电过程迅速，具有自动输入限流(AICL)功能；在充电结束时还可自动断开电池连接，延长电池寿命。它可以提供更大的输出电流，效率高达85％，发热量小，实现更快、更安全高效的充电，有助于提升用户体验；还可以提高系统稳定性，简化系统设计。

NCP185x系列在输入源受限的情况下，采用符合100 mA、500 mA、900 mA或1.5 A USB充电规范的输入电流限制器，利用自动检测模式在较大充电电流时进行调整，使其适应输入源的能力，并可缩短较少达10分钟的总体充电时间。

图1：利用自动输入限流缩短总体充电时间

充电结束时自动断开电池连接，延长电池使用寿命

不少用户经常抱怨电池寿命短，许多便携系统的电池寿命在使用几个月后就受到明显影响，原因是电池在充电结束后还一直在充电。优化电池总体寿命的方法是在充电结束时电池连接即自动断开。安森美半导体NCP185x带有充放电路径管理功能，可以在系统充电结束时自动断开电池连接，系统仅从外部带有适配器或USB端口取电，仅在出现峰值电流活动(大于外部电源适配器所能提供的电流，如使用GSM)时，才导通电池与系统之间连接，短时间从系统补充电流，其他时间电池与系统保持管理。在外部电源连接情况下，系统优先从外部适配器取电，以保存电池电量，延长电池使用时间，如图2所示。

图2：充电结束时自动断开电池连接

如果使用不带充放电路径管理的器件，充电结束后，充电模块关闭，系统开始从电池取电，电池电压随之降低，一旦电压降低到一个门限值，充电周期重新开始，使电池经常处于充放电、再充电循环之中，容易造成电池过早老化。

即时导通技术改善用户体验

电池充电的另一个挑战是需要改善用户体验。用户时常有这样的疑问：为什么电池电量低时我要充电5分钟后系统才能导通系统？这是因为当用户连接便携设备充电的同时，通常也需要使用设备。令人尴尬的是，即使是较新型设备也要求约5分钟的初始充电，然后才允许系统启动及使用。如果采用双路径管理(DPM)技术，即可在插入充电线缆时立即导通便携设备。

NCP185x系列就应用了这样的即时导通系统技术，由于器件内集成的电流源可为电池充电，即使电池电压非常低，当用户插入电源适配器时，也可使系统电压保持在3.6V，让系统立即开启，无需等待；另外，内部集成的一个5 V升压器支持USB On-The-Go(OTG)反向供电，或用于HDMI接口的DDC电压供电，可以一边安全地给电池充电，一边单独为系统供电，如图3所示。当电池电压达到3.4 V时预充电结束，外部充电MOS管导通，系统电压跟随电池电压。传统充电器在电池电量低时，电池需要预充电一段时间，等待电池电压恢复到较低电压以上才能开机

图3：插入充电线缆时即时导通便携设备

安森美半导体的器件还支持死电池激活。当电池电压低于2.2 V时，开关充电器件提供10 mA小电流激活电池。此时系统仍可立即开机。

支持USB OTG附件

对于平板电脑来说，通常需要支持USB OTG功能。USB OTG附件要求便携设备在USB事务处理中充当USB主机，在VBUS线路上提供5 V输出电压，供外设使用；一些智能手机带有HDMI输出接口，也需要一个5 V DDC电压。这通常要使用外部升压直流-直流(DC-DC)转换器将电池电压升压至5 V、500 mA的稳压电压轨。NCP185x系列器件集成了一个5 V升压器，能支持USB OTG附件或HDMI输出接口，较大提供500 mA电流，并省去了一个外部升压转换器。NCP185x系列接地的ID引脚可以识别USB OTG附件，应用反向升压转换器来提供5 V、500 mA输出，不仅可以支持USB OTG功能，还可以为物料单(BOM)节省1颗额外电感。

图4：支持USB OTG功能

多管齐下保证设备的安全性

另一个电池充电的挑战是要保证设备安全性不受影响。NCP185x系列采用了多种安全措施来实现这一目标，包括正向及负向嵌入式过压保护(OVP)、内部结温传感器及管理，以及外部电池负温度系数(NTC)及JEITA管理，而且可提供事件报告机制，将插入、过压、过热、过冷、充电周期状态、充电开始、充电完成等报告给CPU进行相应处理。

独特的正向及负向过压保护可防止新便携设备受到过压的损坏。线缆及充电器都是一般商品，在廉价的零配件市场就可以买到，出现故障的可能性很高。充电源可以是交流适配器(电压达20 V)、计算机USB端口(通常12 V-20 V)、小汽车车载套件(典型值12 V)或卡车(典型值24 V)，因此只有强固的正向28 V过压保护才可以保护设备的安全，且在上述所有应用场景下都提供足够的裕量。NCP185x系列可提供+28 V过压保护，可防止充电器故障或热插拔时过高的浪涌电压损坏开关充电器件；此外还有一种情况，在出现插口/连接器故障时，VIN和GND可能反向，NCP1852率先提供了-20 V OVP能力以帮助保护正在充电的手机。

NCP185x系列具有电池温度监测功能，可监测4个温度区(根据JEITA规范)：冷＜+5℃，不充电；正常温度+5℃至+45℃，满额充电；热＞45℃

安森美半导体新系列开关电池充电方案应对便携设备充电挑战

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