現今成就卓著的便攜式設備，諸如智能電話、PDA以及便攜式媒體播放器越來越多的應用鋰離子(Li-ION)電池。此類可充電電池的高需求量促使眾多的第三方供應商不斷開發出諸如充電座(charging cradle)及充電適配器等附件。此類充電適配器價格低廉，但充電特性及保護功能往往與原廠的OEM適配器有所差別，將會影響到總體的系統性能及可靠性。如果充電器級的設計包含了以下特(te)性，則可實現一個(ge)強健的系(xi)統，適用于所(suo)有的外部(bu)AC適配(pei)器：

　　抑制瞬變(bian)電壓尖刺(ci)的(de)保護

　　非穩壓(ya)適配器的輸出電(dian)壓(ya)特性

　　散熱管理(li)及(ji)(ji)失效保護本文(wen)將探討在使(shi)用(yong)(yong)不同范圍的(de)(de)AC適(shi)配器時(shi)上述參數在系(xi)(xi)統層次上的(de)(de)影(ying)響(xiang)，并(bing)討論如(ru)何使(shi)用(yong)(yong)線(xian)性(xing)化的(de)(de)充(chong)(chong)電(dian)器（具有(you)諸如(ru)過壓保護、散熱調節及(ji)(ji)動態(tai)計(ji)時(shi)器的(de)(de)特性(xing)）設計(ji)出更強健的(de)(de)系(xi)(xi)統。文(wen)中還引用(yong)(yong)了TI的(de)(de)bq2406X系(xi)(xi)列作為(wei)線(xian)性(xing)化充(chong)(chong)電(dian)器家族的(de)(de)示例，展(zhan)示了一系(xi)(xi)列以滿(man)足(zu)以上要(yao)求為(wei)目的(de)(de)的(de)(de)線(xian)性(xing)充(chong)(chong)電(dian)器。

　　多種多樣(yang)的AC適配器

　　當今便攜式(shi)系統設計方面的主要問題(ti)之一在于(yu)適(shi)應寬(kuan)范圍輸(shu)入(ru)供(gong)電(dian)源的需求(qiu)，例如(ru)AC適(shi)配(pei)(pei)(pei)(pei)器、USB纜線或車載/空載的直(zhi)流(liu)輸(shu)出。將適(shi)配(pei)(pei)(pei)(pei)器以低廉的價(jia)格推向(xiang)市場，取代了(le)(le)原(yuan)本昂(ang)貴的原(yuan)廠(OEM)適(shi)配(pei)(pei)(pei)(pei)器，從而(er)促(cu)進了(le)(le)眾(zhong)多(duo)供(gong)應商的開發歷(li)程，使可(ke)充(chong)電(dian)便攜式(shi)設備獲得了(le)(le)廣泛(fan)的成就。此類最流(liu)行(xing)的供(gong)電(dian)源，如(ru)交流(liu)適(shi)配(pei)(pei)(pei)(pei)器，通常可(ke)根據其(qi)特(te)性劃分為兩部分：穩壓適(shi)配(pei)(pei)(pei)(pei)器(regulated adaptor)，典型的OEM適(shi)配(pei)(pei)(pei)(pei)器；非穩壓適(shi)配(pei)(pei)(pei)(pei)器(unregulated adaptor)，典型的配(pei)(pei)(pei)(pei)件供(gong)貨適(shi)配(pei)(pei)(pei)(pei)器。

　　穩壓適(shi)配(pei)器的輸(shu)(shu)出電壓通過(guo)(guo)內(nei)置電路(lu)(lu)提(ti)供非常優良的線(xian)(xian)路(lu)(lu)及負載(zai)調節。而(er)相反的，非穩壓適(shi)配(pei)器所(suo)提(ti)供的輸(shu)(shu)出電壓則取(qu)決(jue)于(yu)負載(zai)，線(xian)(xian)路(lu)(lu)負載(zai)調節能力不強。適(shi)配(pei)器在(zai)過(guo)(guo)電流狀態下的行(xing)為也有(you)(you)所(suo)差別。穩壓適(shi)配(pei)器在(zai)進入過(guo)(guo)電流區(qu)域(yu)時(shi)通常具有(you)(you)更為陡峭的過(guo)(guo)渡區(qu)(transition region)，如圖1所(suo)示。

　　圖1：穩壓及非穩壓型(xing)AC適(shi)配器的特性(xing)

　　輸(shu)入(ru)瞬變及過(guo)電壓(ya)狀態

　　現今的(de)便攜(xie)式設(she)(she)備設(she)(she)計于通過(guo)(guo)上述類型的(de)適配器進行供電(dian)，必須(xu)整合保(bao)護功能，以(yi)使得過(guo)(guo)電(dian)壓狀態(tai)(tai)下終端設(she)(she)備的(de)風險最小化(hua)。過(guo)(guo)電(dian)壓狀態(tai)(tai)可分類為(wei)兩種模(mo)式：直流過(guo)(guo)電(dian)壓以(yi)及瞬變(bian)過(guo)(guo)電(dian)壓。

　　通常情況下，直流過電壓(ya)源于所插(cha)入(ru)的配件供貨(huo)或非標準適(shi)配器上錯(cuo)誤的輸出電壓(ya)。另一(yi)方面，瞬變過電壓(ya)則發生于終端(duan)設備熱插(cha)入(ru)適(shi)配器的瞬間。瞬變過電壓(ya)可輕(qing)易的達到2倍(bei)的正常適(shi)配器輸出電壓(ya)，如(ru)圖(tu)2所示(shi)。

　　圖2：5V、1A適配器（1uF及10uF輸(shu)入(ru)電(dian)容狀(zhuang)態(tai)下(xia)）的熱插入(ru)瞬變特性

　　在(zai)適當(dang)設(she)計時，充(chong)電(dian)器(qi)(qi)級可用于將電(dian)池(chi)和系統(tong)(tong)與外部供電(dian)源隔離，如圖(tu)3所示。在(zai)此類(lei)拓撲中，電(dian)池(chi)組及系統(tong)(tong)的正極終端被連接(jie)至(zhi)充(chong)電(dian)級的輸出。充(chong)電(dian)器(qi)(qi)功率級有(you)效的隔離了外部適配器(qi)(qi)與系統(tong)(tong)供電(dian)總線(xian)。

　　圖3：充電(dian)器級將外部供電(dian)源與電(dian)池和系統隔(ge)離

　　如圖3所示(shi)的拓撲可實現強健的設計(ji)，其充(chong)電(dian)器(qi)級(ji)整合了(le)(le)輸入(ru)過(guo)電(dian)壓(ya)保護(OVP)功能(neng)，可監測(ce)輸入(ru)電(dian)壓(ya)并(bing)在探測(ce)到直(zhi)流過(guo)電(dian)壓(ya)狀態時(shi)使充(chong)電(dian)器(qi)級(ji)失效。當(dang)充(chong)電(dian)器(qi)級(ji)失效時(shi)，系(xi)統的供(gong)電(dian)總線與適(shi)(shi)配器(qi)的輸出完全隔(ge)離。對(dui)于5V的穩(wen)(wen)壓(ya)適(shi)(shi)配器(qi)，輸入(ru)過(guo)電(dian)壓(ya)保護限(xian)制通常設定為6.5V。bq2406X系(xi)列提供(gong)了(le)(le)6.5V及10.5V的選項以同(tong)時(shi)適(shi)(shi)應于穩(wen)(wen)壓(ya)及非穩(wen)(wen)壓(ya)型的適(shi)(shi)配器(qi)。

　　為隔離并保護系統及電(dian)(dian)池免受外部電(dian)(dian)源瞬變過電(dian)(dian)壓(ya)狀態的損害(hai)，充電(dian)(dian)器級應具(ju)有約2倍(bei)于一般(ban)額定(ding)適(shi)配器電(dian)(dian)壓(ya)的輸入(ru)電(dian)(dian)壓(ya)限定(ding)范圍。

　　需要注意的(de)(de)是，在(zai)(zai)上述所討(tao)論的(de)(de)拓(tuo)撲中，若最小化(hua)系統電(dian)流(liu)(liu)（例如待機[stand-by]模式下(xia)）高(gao)于結束(shu)(termination)電(dian)流(liu)(liu)限，則可能產生潛(qian)在(zai)(zai)的(de)(de)鎖定(lock out)狀態。在(zai)(zai)系統電(dian)流(liu)(liu)超過結束(shu)電(dian)流(liu)(liu)限之時，終止將(jiang)無法進行檢測(ce)。安(an)全計(ji)(ji)時器(qi)(qi)將(jiang)被(bei)激活，充(chong)(chong)電(dian)器(qi)(qi)級將(jiang)在(zai)(zai)電(dian)池(chi)充(chong)(chong)至滿容量之前就掉電(dian)(power down)。為解決該潛(qian)在(zai)(zai)的(de)(de)問題，bq2406X系列針(zhen)對設備(bei)在(zai)(zai)電(dian)池(chi)充(chong)(chong)電(dian)器(qi)(qi)開啟時高(gao)功率模式，提(ti)供了(le)失效及安(an)全計(ji)(ji)時器(qi)(qi)選項(xiang)，以及充(chong)(chong)電(dian)終止功能。

　　散(san)熱管理(li)及(ji)失效保護

　　線性化充(chong)電(dian)器中至系統供(gong)電(dian)總(zong)線的高(gao)輸入電(dian)壓差分將導致芯片溫(wen)度上升，乃至超過最(zui)大結點溫(wen)度(junction temperature)值并產生熱(re)燒毀。為避(bi)免(mian)該問題，此類設計(ji)必須考慮強健的散熱(re)管理配置，同(tong)時包括了熱(re)關斷(thermal shutdown)及熱(re)調節(thermal regulation)。

　　依照一(yi)般的(de)規則，所(suo)有(you)的(de)集成充(chong)電(dian)(dian)(dian)器IC都(dou)必須具(ju)(ju)有(you)熱(re)(re)關(guan)(guan)(guan)斷(duan)(duan)，一(yi)旦IC的(de)內部結點溫(wen)度(du)(du)超過最大結點溫(wen)度(du)(du)值(zhi)，熱(re)(re)關(guan)(guan)(guan)斷(duan)(duan)將被(bei)觸發(fa)，以(yi)確(que)保運轉過程中不會產生熱(re)(re)燒毀。在典型的(de)應用(yong)中，當充(chong)電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)流1A而充(chong)電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)壓高于電(dian)(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)(dian)壓2-3V時(shi)(shi)，熱(re)(re)關(guan)(guan)(guan)斷(duan)(duan)將被(bei)激活。激活狀(zhuang)態下(xia)，熱(re)(re)關(guan)(guan)(guan)斷(duan)(duan)電(dian)(dian)(dian)路將關(guan)(guan)(guan)閉充(chong)電(dian)(dian)(dian)器功(gong)(gong)率(lv)級(ji)，以(yi)避(bi)免熱(re)(re)燒毀。通(tong)常的(de)熱(re)(re)關(guan)(guan)(guan)斷(duan)(duan)電(dian)(dian)(dian)路都(dou)具(ju)(ju)有(you)設計上(shang)的(de)滯后效(xiao)應。當芯(xin)片溫(wen)度(du)(du)降低，功(gong)(gong)率(lv)級(ji)方(fang)可重新(xin)開(kai)啟。若芯(xin)片溫(wen)度(du)(du)再度(du)(du)上(shang)升，熱(re)(re)關(guan)(guan)(guan)斷(duan)(duan)電(dian)(dian)(dian)路將再次被(bei)觸發(fa)。其散熱(re)(re)所(suo)維持時(shi)(shi)間可達數秒，取決于PCB的(de)布板(ban)，此類(lei)工作模式(shi)在以(yi)充(chong)電(dian)(dian)(dian)狀(zhuang)態LED指(zhi)示(shi)時(shi)(shi)一(yi)般被(bei)稱為“閃光”（"flashing"）模式(shi)。

　　為解決此類(lei)散熱問題(ti)，可添(tian)(tian)加一個散熱回(hui)(hui)路(lu)，以(yi)降低充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)，確保IC結(jie)點(dian)溫度低于熱關斷(duan)限。如圖3所示，bq2406X系列線性(xing)化(hua)充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)器(qi)添(tian)(tian)加了(le)散熱回(hui)(hui)路(lu)以(yi)支持(chi)運轉。散熱回(hui)(hui)路(lu)在激(ji)活狀態下可有效的降低充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)，降低充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)器(qi)級(ji)供電(dian)(dian)(dian)(dian)MOSFET的功耗。

　　圖4：散熱回(hui)路在輸入電壓(ya)瞬變情況(kuang)下的運轉

　　需要注意到，具有散熱回路的(de)線性化充(chong)電(dian)器在(zai)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)過高(gao)的(de)情況下，充(chong)電(dian)電(dian)流(liu)可降(jiang)至非常低(di)的(de)值。在(zai)此類狀況下，失效終止(false termination)可針對充(chong)電(dian)電(dian)流(liu)是否降(jiang)至低(di)于結束限(xian)進行檢測(ce)。為避免此問題，bq2406X將(jiang)在(zai)散熱回路激活時使(shi)終止失效。

　　動態計時器控制

　　充電(dian)安(an)全(quan)計(ji)數(shu)(shu)器(qi)用(yong)于(yu)檢(jian)測失(shi)效(xiao)狀態，如果充電(dian)周期持(chi)續超過(guo)正(zheng)常狀態下所期望(wang)的(de)(de)總體時(shi)間，且充電(dian)電(dian)流等于(yu)額(e)定的(de)(de)快速充電(dian)電(dian)流，則判(pan)斷失(shi)效(xiao)。在散熱(re)回(hui)(hui)路(lu)激活(huo)狀態下，充電(dian)電(dian)流降低。若是散熱(re)回(hui)(hui)路(lu)在較長的(de)(de)一段時(shi)間內被激活(huo)，那么失(shi)效(xiao)安(an)全(quan)計(ji)數(shu)(shu)器(qi)的(de)(de)錯誤(wu)狀態即可觀察得(de)出。為避免不期望(wang)的(de)(de)錯誤(wu)狀態，bq2406X充電(dian)器(qi)IC采用(yong)了動態計(ji)時(shi)器(qi)控(kong)制(DTC)，其內置電(dian)路(lu)通過(guo)編程調整計(ji)時(shi)終止輸出的(de)(de)時(shi)間值(zhi)，降低安(an)全(quan)計(ji)數(shu)(shu)器(qi)的(de)(de)時(shi)鐘效(xiao)率。DTC電(dian)路(lu)將在散熱(re)回(hui)(hui)路(lu)被激活(huo)時(shi)同時(shi)啟動。

　　散(san)熱(re)調節功能，并結合DTC電(dian)路，提供了強(qiang)健的散(san)熱(re)管理及失(shi)效保(bao)護配置，以保(bao)護充電(dian)器級和系統免遭瞬變或(huo)其它過電(dian)壓狀態所造成的散(san)熱(re)錯誤(wu)。

　　在(zai)(zai)(zai)(zai)此所討論的(de)(de)(de)便攜(xie)(xie)式設(she)(she)備在(zai)(zai)(zai)(zai)廠商之間存在(zai)(zai)(zai)(zai)著激烈的(de)(de)(de)競爭，且持續著革(ge)新及(ji)差異化。隨著便攜(xie)(xie)式設(she)(she)備所安置的(de)(de)(de)使用(yong)環境越(yue)來越(yue)嚴苛--例如，在(zai)(zai)(zai)(zai)炎熱(re)的(de)(de)(de)夏日將(jiang)電(dian)(dian)話(hua)放置在(zai)(zai)(zai)(zai)汽車(che)內充電(dian)(dian)，或是插(cha)入了廉價的(de)(de)(de)配件供貨(huo)或錯誤的(de)(de)(de)適(shi)配器(qi)--終端(duan)用(yong)戶將(jiang)延續其在(zai)(zai)(zai)(zai)強健(jian)性(xing)及(ji)穩(wen)定(ding)性(xing)方面對便攜(xie)(xie)式設(she)(she)備的(de)(de)(de)挑戰(zhan)。一(yi)(yi)類(lei)產品(pin)(pin)(pin)(pin)與其它產品(pin)(pin)(pin)(pin)的(de)(de)(de)主(zhu)要區別體現(xian)在(zai)(zai)(zai)(zai)當出現(xian)上(shang)述不(bu)期望的(de)(de)(de)狀態(tai)時，設(she)(she)備的(de)(de)(de)穩(wen)定(ding)性(xing)、可靠(kao)性(xing)以(yi)及(ji)強健(jian)性(xing)。系統設(she)(she)計工(gong)程師的(de)(de)(de)職責即在(zai)(zai)(zai)(zai)于將(jiang)此類(lei)因素納(na)入考慮，以(yi)確保其產品(pin)(pin)(pin)(pin)更智能(neng)、更強且更健(jian)壯，以(yi)使其產品(pin)(pin)(pin)(pin)在(zai)(zai)(zai)(zai)為數(shu)眾(zhong)多的(de)(de)(de)產品(pin)(pin)(pin)(pin)中獨樹一(yi)(yi)幟(as "The" one)，而不(bu)是“泯然(ran)眾(zhong)人矣”(as "A" one)。