在新兴便携式应用中集成Li-xx充电管理元件

充电控制中的3“C”
充电控制与管理是所有采用了可充电电池的便携式设计中的关键功能。先进的设计技术需确保满足以下3项关键要求。
电池安全 (Cell Safety)
此项要求不单单限于满足电池制造商建议的、在充电最后阶段±1%的电压调整容限要求，而且还包含了其他功能，如：可安全处理深放电电池的预处理模式、安全定时器以及电池温度监控等功能。
容量 (Capacity)
任何充电管理解决方案都需要确保每个循环都能把电池充满。未充满即提前停止充电会降低运行时间，不能满足便携式设备对高电源的要求。
循环寿命 (Cycle-Life)
与建议的充电算法相关的一个重要步骤是，确保最终用户能够从每一电池组件获得最大数量的充电循环。最大化循环寿命的必要步骤包括每次充电都符合电池温度与电压要求、预处理深放电的电池、以及避免延迟或不适当终止充电等。

图1 典型线性充电器

图2 单芯片 Li-xx 充电器

充电器拓扑
当今的大多单电池 Li-xx应用都采用线性充电拓扑。这种结构具有简易性及运行成本低等特性。与开关式拓扑相比，它还使设计人员能够把充电器放入更小的空间。这种拓扑的一个副作用是散热，但是利用先进的设计及布置技术可以很好地控制散热。图1是典型线性充电器的示意图。
在该电路中，输入二极管D1用于在不对电池充电时，防止电池的任何泄漏电流流入与电源输入相连接的负载。R1是充电控制器的电流反馈单元，用于设置充电速度。Q1是通路晶体管，用于控制在充电过程中为电池提供的电流或电压。最后，充电控制器管理充电的所有方面，并提供表1中所示的所有功能。

充电控制元件的发展趋势
图1代表市场中的第一代充电控制解决方案。在众多便携式应用中，这些解决方案具有高可靠性、经济高效等特性。但是，新兴的便携式产品在提高功能和性能的同时体积变得更为小巧。因此，OEM 厂商希望缩小包括电池充电管理等的功能电源管理所需要的空间。半导体与封装技术的进步已经使IC公司能够为新一代的充电控制器件提供更高集成度及更高级功能，同时最小化电路板空间需求。表2说明第一代充电器设计中主要元件的典型封装尺寸(750mA 充电速度)。这些单元总共占用的PCB面积为38mm2。这还不包括元件之间的间隙所需要的面积。
由于在充电控制器中集成了反向阻断二极管及功率MOSFET等元件，因此第二代充电控制器件适当节省了电路板空间。与第一代解决方案相比，此类解决方案一般可节省20％~30％的PCB面积。
然而，第三代充电器解决方案在这方面取得了巨大突破。例如，德州仪器推出的最新器件 bqTINYTM可提供高集成度，同时又可最小化所需的 PCB 面积。bqTINY在仅 3×3mm2 封装中集成了反向阻断二极管、电流传感电阻器、功率MOSFET及充电控制器。所需的电路板面积降低了77％。图2是第三代充电器的典型示意图。

集成带来的挑战与优势
近些年来，集成已成为降低充电控制器解决方案的主要因素。但是，在给最终用户提供众多优势的同时，集成也给半导体设计人员带来了诸多挑战。我们首先来看一下这些挑战：
?集成并不是说做得少了。高集成度需要切实满足并处理本文前面所述的主要充电控制功能。
?上述线性解决方案在充电期间会散热。凭借高集成度，全部热量需在单个封装中消散。为解决这个问题需要具备热特性的新封装技术。另外，散热也会提高正常工作期间芯片的温度，这意味着用于电压调整的一些高精度电路需要在较大温度范围内准确地运行。
?安全性是所有充电器设计中的主要考虑因素。高集成度会给充电器带来更大的负担，需要其确保在广泛的条件范围内可靠运行，包括短路条件及温度超限条件。
集成也带来众多优势：
?前面着重指出的一个主要优势是降低元件数与 PCB 面积。在上面所示的例子中，我们可以看出元件数从4个降低到了1个，而 PCB 面积则降低了77％。
?集成还可以大大简化设计过程及最终用户的元件选择。这意味着可实现更短的设计周期及在大多应用中可一举成功。
?在单个器件中集成全部元件还使半导体制造商能够通过解决不同元件造成的整体误差，而更好地优化电路的整体性能。
?正确的集成还可以提高整体安全性。在图1所示的设计举例中，监控反向阻断二极管及通路晶体管的异常情况(例如过热或短路)非常困难，而且成本很高。而在集成的解决方案中可以安全、有效地监控这些参数。

结语
半导体与封装技术的最新发展已经使半导体制造商能够为新兴的便携式应用提供众多高度集成的充电解决方案。这些解决方案使 OEM 厂商能够降低设计的成本及尺寸，简化设计工作，同时获得众多安全性及性能优势。 ■

作者简介：Masoud Beheshti，现任 TI 电池管理产品的高级产品经理。他在电源管理与电池管理领域拥有超过14年的设计、产品定义、销售，以及业务管理经验。他拥有电气工程设计学士学位，以及金融与市场营销工商管理硕士学位。