1.概述

對于現(xiàn)今的智能手機(jī)、平板電腦、移動銷售終端等便攜式設(shè)備來說，電池使用時間和充電時間都成了問題，主要是因為越來越強(qiáng)大的處理器對電源的消耗也越來越大了，電池的容量必須不斷增長以滿足使用時長的需求。要對大容量的電池進(jìn)行充電，延長充電時間或加大充電電流以縮短充電時間就成了必然的選擇，而為了使用上的便利性，選擇加大充電電流必然成為最后的唯一選項。 ? ? 要用大電流對電池進(jìn)行充電，傳統(tǒng)的線性充電器件受到諸多限制，以開關(guān)模式工作的充電器件走上前臺成為大多數(shù)情況下的必然之選。??

2.鋰離子電池的充電策略

對鋰離子電池的充電是需要特別小心的，因為錯誤的充電方法可以縮短電池壽命、對電池造成傷害，甚至可能造成安全問題。下圖顯示的是最典型的鋰離子電池充電策略：

圖1

? 深度放電的鋰離子電池在充電初期需要一個預(yù)充過程，這時候的電池電壓低于某個閾值，充電電流必須很小，這樣可以使電池進(jìn)入可以接受大電流充電的狀態(tài)。預(yù)充過程還有解除電池保護(hù)電路的欠壓保護(hù)狀態(tài)的作用。在正常的使用狀態(tài)下，預(yù)充過程通常不會發(fā)生，因為大多數(shù)應(yīng)用都不會容許進(jìn)入電池的深度放電狀態(tài)。 當(dāng)電池電壓超過預(yù)充閾值以后，充電過程就可以進(jìn)入快充狀態(tài)。在這種模式下，充電器件按照預(yù)先定義好的恒定電流（CC, Constant Current）為電池提供電流，其數(shù)據(jù)通常是與電池的容量相關(guān)的。大多數(shù)應(yīng)用的快充電流介于0.5C~1C之間（C是電池的容量，其單位一般為Ah或mAh），較低內(nèi)阻的電池可以使用較高的充電速率，這個規(guī)則反過來也是成立的。大電 流的鋰聚合物電池具有特別的構(gòu)造，它們可以接受比較高的充電速率（如2C~4C）。

當(dāng)電池電壓達(dá)到電池額定電壓的時候，充電器就要從恒流(CC)模式切入恒壓(CV, Constant Voltage)模式，充電電流也會逐漸下降。對充電器的恒壓模式輸出電壓需要進(jìn)行精確的控制以 避免對電池的過充和可能導(dǎo)致的危險，這個值通常介于4.15V~4.4V之間。對于大多數(shù)鋰離子電池來說，所謂的充滿是指電池的電壓達(dá)到了它的額定電壓，而且充電的電流也降到額定充電電流的5%以下了。一旦如此，充電過程就要被終止。

對充滿以后的鋰離子電池進(jìn)行持續(xù)的涓流充電是不被推薦的，那將導(dǎo)致電池壽命的縮減。假如電池電壓在充電終止以后又下降到 了某個閾值（通常在3.9V~4.0V之間），大多數(shù)充電器件會重啟充電過程。 從上述內(nèi)容可以看出，鋰離子電池充電器件需要具有精確的電池電壓檢測能力和對輸出電壓、輸出電流分別進(jìn)行控制以實現(xiàn)恒流輸出、恒壓輸出的能力。當(dāng)把開關(guān)模式的充電器件用于這樣的應(yīng)用中時，由于應(yīng)用場合的多樣性，它的很多參數(shù)應(yīng)當(dāng)是可調(diào)的，而最好用的控制參數(shù)的傳送接口通常是I2C接口。

? 3.對鋰離子電池進(jìn)行快充面臨的挑戰(zhàn)

在對鋰離子電池進(jìn)行快速充電的實踐中，有許多實際的因素對理想充電條件的達(dá)成構(gòu)成了限制條件，圖2對此進(jìn)行了表達(dá)。

圖2
? · 電源供應(yīng)器可能提供不了足夠的電流和電壓以滿足快速充電的需求，這種狀況在從USB端口取電時尤其突出，因為它們具有嚴(yán)格的輸出電流限制。 · 充電電流變大以后，充電器件和電池連接線路上的電阻（包括PCB線路電阻、連接器電阻、保護(hù)用MOSFET的導(dǎo)通電阻和電池內(nèi)阻等）上的電壓降都會變大，這將導(dǎo)致檢測到的電池電壓和實際的電池電壓之間的差異。 · 快充會導(dǎo)致電池溫升的提高，因此大部分充電器件都會對電池溫度進(jìn)行檢測，并在溫度太高時降低充電電流和/或電壓以避免過熱狀況的發(fā)生。 · 當(dāng)系統(tǒng)功率消耗與電池充電功率的和超過電源供應(yīng)器的最大供應(yīng)能力時，系統(tǒng)消耗的增加就意味著電池充電電流的減少。 ?

4.開關(guān)模式充電器件的應(yīng)用和它們的特殊功能

圖3顯示了開關(guān)模式充電器件的典型應(yīng)用狀況：

圖3 在實際應(yīng)用中，充電IC的電源供應(yīng)常常來源于USB端口，而開關(guān)模式充電器件實際上就是基本的Buck架構(gòu)轉(zhuǎn)換器再加上輸出電壓和輸出電流的控制回路而形成的，其作用是將VBUS電壓轉(zhuǎn)換為適合系統(tǒng)供電用的電壓，同時為電池進(jìn)行充電。大多數(shù)應(yīng)用系統(tǒng)都會有一個應(yīng)用處理器，它可以對接入的USB端口的供電能力進(jìn)行檢測，再根據(jù)此能力和所用電池的類型對充 電的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，而開關(guān)模式充電器件也含有很多與電池充電有關(guān)的功能與之進(jìn)行配合，它們也同時具有對輸入電壓和電流進(jìn)行控制的能力以適配具體的環(huán)境。下面的段落將對開關(guān)模式充電器件的特殊功能進(jìn)行描述，說明它們是如何與USB端口的能力進(jìn)行配合的，又是如何對充電參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化的。

平均輸入電流調(diào)整(AICR)

大多數(shù)開關(guān)模式充電器件都會將平均輸入電流調(diào)整（AICR）的功能納入其設(shè)計中，其目標(biāo)是通過對充電電流的調(diào)節(jié)使充電器的輸入電流不要超過某個門限，而輸入電流的門限是根據(jù)供電源的負(fù)載能力來進(jìn)行調(diào)整的，這種調(diào)整可以通過I2C接口進(jìn)行，或是通過對USB端口的自動檢測來實現(xiàn)。 開關(guān)模式充電器的輸入電流由下述公式予以確定： 其中的η是充電器的轉(zhuǎn)換效率。很顯然，在AICR模式下，當(dāng)電池電壓上升以后，充入電池的電流將會降低。

最低輸入電壓調(diào)整(MIVR)

由于不能總是清楚地知道與之連接的電源的種類，充電器件試圖吸入的電流超過電源供應(yīng)能力的狀況是有可能發(fā)生的。為了避免這種問題，在充電器件中加入最低輸入電壓控制回路就成了合理的選擇，它能對充電器的輸入電壓進(jìn)行監(jiān)測，并在輸入電壓下降至一定水平時降低 電池充電電流使輸入電壓維持在某個閾值之上。假如通過USB端口進(jìn)行充電，MIVR的水平就可以設(shè)定為4.5V，這樣可以確保該USB端口不會出現(xiàn)過載的情形。
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通過D+ 和D- 對USB充電端口進(jìn)行檢測

標(biāo)準(zhǔn)的USB 2.0端口只能提供500mA的電流，因此，當(dāng)利用它為設(shè)備充電時，充電器的輸入電流就必須低于500mA以避免造成端口過載。因為這個原因，大多數(shù)開關(guān)模式充電器都會在開始工作時就進(jìn)入AICR = 500mA的模式。為了讓USB端口能夠通過更大的電流，USB-IF所制訂的USB電池充電標(biāo)準(zhǔn)BC1.2定義了一套通過USB端口進(jìn)行交流的方法，將D+ 和D- 數(shù)據(jù) 線引入其中，使之能夠發(fā)揮更大的效用。它所定義的端口類型有3種：
? 1、標(biāo)準(zhǔn)下行端口(SDP, Standard Downstream Port)，它的D+ 和D- 各有一只15k電阻連接到GND。 2、專用充電端口(DCP, Dedicated Charging Port)，它的D+ 和D- 連接在一起。 3、充電下行端口(CDP, Charging Downstream Port)，它包含了一些邏輯電路，能夠與檢測電路進(jìn)行握手操作。 SDP端口可以提供500mA電流輸出，DCP和CDP則都能提供至少1.5A的電流輸出。DCP端口是不能通過D+ 和D- 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)模鳦DP則仍然保留了通過D+ 和D- 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰Α?除了BC1.2所定義的方法以外，一些品牌廠商制訂了自己的通過D+/D- 進(jìn)行識別的方法。如A pple、Samsung、Sony和Nokia等廠商，它們的電源適配器都使用了自己定義的電阻分壓器 在D+ 和D- 上，便于它們自己的產(chǎn)品進(jìn)行識別。 充電IC可以在上電過程中對USB端口上的D+ 和D- 線進(jìn)行檢測以確定自己連接到的端口類型，然后再據(jù)此設(shè)定AICR的電流閾值，確保與USB端口的類別或是電源適配器的能力是匹配的。

IR補(bǔ)償功能

如圖2顯示的那樣，充電器件的輸出到電池之間的路徑上存在PCB路徑電阻、電池連接器阻抗、電池保護(hù)用MOSFET的導(dǎo)通電阻以及電池的內(nèi)部阻抗，它們會在充電器件的電壓檢測端子和實際的電池之間形成壓差，這種作用在較高的充電電流下會變得更明顯，可以導(dǎo)致充電I C提前進(jìn)入CV模式，其結(jié)果就是使CV充電的時間更長，因而加長了總的充電時間，此作用 用圖形來表達(dá)就如圖4所示的那樣。

圖4
? 為了消除IR壓降所帶來的影響，一些開關(guān)模式充電器件導(dǎo)入了可編程的IR壓降補(bǔ)償功能，可對充電IC所檢測到的電壓進(jìn)行與實際電流有關(guān)的補(bǔ)償，補(bǔ)償?shù)囊罁?jù)是充電IC與電池之間的總電阻的大小。添加了IR壓降補(bǔ)償?shù)某潆娗€顯示在圖5中。

圖 5
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在不同的溫度下對電池進(jìn)行充電

很多開關(guān)模式充電器件都能按照J(rèn)EITA所制訂的規(guī)范在不同的溫度下采取不同的充電策略， 它們把實用的溫度范圍分成5個區(qū)間（冷，涼，常溫，暖，熱），并在不同的區(qū)間實施不同的充電參數(shù)。在冷、熱區(qū)間里，充電是被禁止的；在涼、暖區(qū)間里，建議將充電電流和充電電壓之一或是兩者都降下來；在常溫區(qū)間里，充電電壓和充電電流都保持在正常值。具體的 規(guī)則見圖6。

圖6 ? ? ? 圖 7 對電池溫度進(jìn)行檢測的方法是將電池包中的NTC熱敏電阻和充電IC連接起來，并通過一個由I C生成的參考電壓供電的電阻分壓器進(jìn)行偏置（如圖7所示）。RTH1和RTH2的值可以根據(jù)所選熱敏電阻的類型進(jìn)行選擇，其目標(biāo)是使熱敏電阻在0°C 和 60°C下所形成的TS端電壓與IC內(nèi)部的判定冷和熱的閾值剛好一致。此后，充電IC即可自動改變其在涼、暖溫區(qū)的充電參數(shù)，并在冷、熱溫區(qū)里進(jìn)入充電掛起狀態(tài)。大部分充電IC都容許對涼、暖溫區(qū)的充電參數(shù)進(jìn) 行程序化的改變。圖7除了給出電池溫度檢測的方法外，還給出了在不同溫度區(qū)間對充電電流和電壓進(jìn)行修改的例子。 ?

自動電源路徑管理

具有自動電源路徑管理功能的開關(guān)模式充電器件具有為系統(tǒng)負(fù)載選擇電源的能力。在圖8所示的電路中，充電器件與電源適配器連接，電池正在被充電，系統(tǒng)也正在被供電，這時的電源路徑MOSFET處于導(dǎo)通狀態(tài)，Buck功率級在為系統(tǒng)提供工作電流的同時也在為電池提供充電電流。

圖 8: 充電器同時為系統(tǒng)和電池充電提供電流

? 在系統(tǒng)負(fù)載很重的時候，電池電流可以倒轉(zhuǎn)過來，實際上就是適配器和電池一起向負(fù)載供電（如圖9所示）。

? 圖 9: 充電器和電池一起為負(fù)載供電 當(dāng)電池被充滿了的時候，作為電流通道存在的MOSFET開關(guān)就會被關(guān)斷，這時候就只有適配器在向系統(tǒng)負(fù)載供電了（如圖10所示）。某些充電器件具有一種被稱為工廠模式的狀態(tài)，它能在沒有電池存在的情況下為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的工作電壓。

? 圖10: 電池充滿狀態(tài)：充電器僅為系統(tǒng)供電 當(dāng)適配器被移除時，電源路徑控制開關(guān)將會自動接通，電池開始向系統(tǒng)負(fù)載供電，此時位于VIN進(jìn)入路徑上起阻斷作用的MOSFET開關(guān)將會關(guān)斷，開始發(fā)揮其應(yīng)有的作用。（見圖11）

? 圖11: 充電器件沒有了輸入，電池開始為負(fù)載供電 假如設(shè)備將在很長一段時間內(nèi)不會被使用（例如處于運輸階段），某些充電器件還能進(jìn)入運輸模式。在運輸模式下，用于電源路徑管理的MOSFET會被關(guān)斷，這樣就可將電池電量的損耗降低到最小化。只要重新接入外部電源，或是通過I2C接口發(fā)送命令，充電器件的運輸模式就可以被終止。參見圖12。

? 圖 12: 處于運輸模式的充電器件，電池消耗降到了最低
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USB On-The-Go (OTG)功能

有些便攜式設(shè)備的USB端口可以承擔(dān)多種角色：與適配器連接的時候是充電的電源輸入端口；與slave（從設(shè)備）如閃存盤、數(shù)碼相機(jī)、鼠標(biāo)或鍵盤連接的時候是Host（主機(jī)）端口； 還可以作為slave（從設(shè)備）與PC連接起來進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。這樣的設(shè)計意味著此端口在某些時候是電源輸入端，有些時候又需要向外部連接的設(shè)備供電，有些時候就完全是一個slave端口。

USB On-The-Go(OTG)對這樣的端口進(jìn)行了定義，它在小型和微型USB連接器里新增了 一個ID端子，目的是對設(shè)備的Host或slave角色進(jìn)行標(biāo)識。在有這樣的端口的設(shè)備中，應(yīng)用處 理器通過檢測ID端的狀態(tài)并和連接設(shè)備進(jìn)行通訊來決定它到底是Host還是slave，也由此決定 它是否需要向外部設(shè)備供電。在Host狀態(tài)下，應(yīng)用處理器將激活開關(guān)模式充電器件的OTG模 式，它將使其在充電時工作在Buck模式下的MOSFET開關(guān)以同步Boost方式工作，從電池取 電將MID端的電壓提升到5V，再打開連接MID端和VIN端的阻斷開關(guān)使5V電壓輸出到端口 上。充電器件的OTG工作狀態(tài)顯示在圖13中。

? 圖13 工作在Boost模式下的轉(zhuǎn)換器的輸出電流限制是可編程的，這就容許OTG模式的輸出可以兼 容于普通的USB端口。 某些充電IC的反向阻止開關(guān)可以被禁止導(dǎo)通，這樣就使得位于MID端的Boost轉(zhuǎn)換器的輸出可以作為獨立的5V電源來使用，移動電源方案通常就是這樣做的。

用高輸入電壓進(jìn)行充電

在以5V作為輸入電壓時，電池充電的大電流很容易就能導(dǎo)致高輸入電流的形成，因為鋰離子電池的電壓并沒有比5V低多少，由適配器的電流限制和電纜、連接器的電流限制很快就會成為大電流充電的限制因素（舉例而言，微型USB連接器的最大電流承受能力就只有1.8A）。 新型的開關(guān)模式充電器件通常能夠工作在更高的輸入電壓下，這樣就可以使用高于5V的輸入電壓（例如9V、12V）。由于降壓型開關(guān)模式充電器的輸入電流是由公式 ? 決定的，輸入電壓較高就可以降低輸入電流。需要注意的是，較高的輸入電壓也會導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器損耗的提高，因而轉(zhuǎn)換效率也會下降，但這可以通過降低開關(guān)切換頻率進(jìn)行一些補(bǔ)償，只是這樣也需要使用更大一些的濾波元件。 對于可以改變輸入電壓的充電系統(tǒng)來說，出現(xiàn)在USB端口上的初始電壓必須仍然是5V以避免對標(biāo)準(zhǔn)的單5V系統(tǒng)造成傷害。這樣的系統(tǒng)在連接以后會有通訊信號在充電器件和適配器之間進(jìn)行傳遞，以便出現(xiàn)在USB VBUS上的電壓是可以提高的，很多公司已經(jīng)開發(fā)了自己的特殊通訊方法來完成這一任務(wù)。

高通公司解決此問題的方法是定義了QuickChargeTM協(xié)議，它使用D+ 和D- 信號線與適配器進(jìn)行溝通。 MediaTek所發(fā)展的方法被稱為MTK Pump ExpressTM，它讓充電IC對輸入電流進(jìn)行調(diào)制以實現(xiàn)和適配器之間的通訊。 使用全新USB C型接口的設(shè)備可以利用標(biāo)準(zhǔn)的USB PD協(xié)議在充電器件和適配器之間進(jìn)行通訊，它可讓VBUS上的電壓在5V~20V之間變化，而電流則可以高達(dá)5A。

編輯：黃飛

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