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多種功能的完美結(jié)合造就了線性充電器穩(wěn)健的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2010-02-24 來(lái)源:電子元件技術(shù)網(wǎng)

中心議題:
  • 多種多樣的AC適配器
  • 散熱管理與故障保護(hù)
解決方案:
  • 使用包含熱關(guān)斷及熱調(diào)節(jié)功能的穩(wěn)健的散熱管理方案
  • 充電器級(jí)將外部電源與電池和系統(tǒng)隔離
  • 散熱調(diào)節(jié)功能以及DTC電路提供穩(wěn)健的散熱管理及故障保護(hù)方法

隨著便攜式設(shè)備所處的環(huán)境越來(lái)越嚴(yán)苛,便攜式終端用戶(hù)將繼續(xù)面臨穩(wěn)健性及穩(wěn)定性方面的挑戰(zhàn)。某類(lèi)產(chǎn)品與其他產(chǎn)品的主要區(qū)別體現(xiàn)在各種苛刻環(huán)境中,設(shè)備的穩(wěn)定性、可靠性以及穩(wěn)健性的不同。bq2406X 產(chǎn)品系列具有獨(dú)特的輸入過(guò)電壓保護(hù)、散熱調(diào)節(jié)以及 DTC 功能,實(shí)現(xiàn)了一款穩(wěn)健的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

現(xiàn)代便攜式設(shè)備相當(dāng)普及,同時(shí)越來(lái)越A以及便攜式媒體播放器已開(kāi)始使用鋰離子(Li-Ion)電池。此類(lèi)可充電電池的高需求量促使眾多的第三方廠商不斷開(kāi)發(fā)出諸如充電座及充電適配器等附件。此類(lèi)充電適配器雖不昂貴,但其充電特性及保護(hù)功能往往與原OEM廠商生產(chǎn)的適配器有所差及可靠性。如果在充電器級(jí)的設(shè)計(jì)過(guò)程中謹(jǐn)記以下特性,則可實(shí)施一個(gè)適用于所有的外部AC適配器的穩(wěn)健系統(tǒng):
1. 抑制瞬態(tài)電壓峰值的保護(hù);
2. 非穩(wěn)壓適配器的;
3. 散熱管理及故障保護(hù)產(chǎn)品系列的示例,展示了一系列以滿(mǎn)足上述要求為目的的線性充電器。

多種多樣的AC適配器
當(dāng)今便攜式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的主要問(wèn)題之一在于適應(yīng)寬輸入電源范圍的需求,例如AC適配器、USB線纜或車(chē)載/空載的直流輸出。將適配器以低廉的價(jià)格推向市場(chǎng),取代了昂貴的原始設(shè)備制造商(OEM)制造的適配器,從而促進(jìn)了眾多廠商的發(fā)展,使可充電便攜式設(shè)備取得了很大成功。此類(lèi)最流行的電源,如AC適配器,通??筛鶕?jù)其特性劃分為兩種:穩(wěn)壓適配器(原廠配件)以及非穩(wěn)壓適配器(普通的配件適配器)。

穩(wěn)壓適配器的輸出電壓通過(guò)內(nèi)部電路提供非常優(yōu)良的線路及負(fù)載調(diào)節(jié)。而非穩(wěn)壓適配器所提供的輸出電壓則取決于負(fù)載。線路負(fù)載調(diào)節(jié)能力不強(qiáng),適配器在過(guò)電流狀態(tài)下的行為也有所差別。穩(wěn)壓適配器在進(jìn)入過(guò)電流區(qū)域時(shí)通常具有更為陡峭的過(guò)渡區(qū)(transition region)。

輸入瞬變和過(guò)電壓狀態(tài)
當(dāng)今,靠上述適配器供電的便攜式設(shè)備在設(shè)計(jì)時(shí)必須整合保護(hù)功能,將過(guò)電壓損壞終端設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)降到最小。過(guò)電壓可為兩種模式:直流過(guò)電壓以及瞬變過(guò)電壓。

通常情況下,直流過(guò)電壓源于所插入的配件或非標(biāo)準(zhǔn)適配器上錯(cuò)誤的輸出電壓。另一方面,將適配器熱插入終端設(shè)備時(shí),就會(huì)出現(xiàn)瞬變過(guò)電壓。瞬變過(guò)電壓可輕松地達(dá)到正常適配器輸出電壓的2倍,如圖1所示。

圖1:多種功能的完美結(jié)合造就了線性充電器穩(wěn)健的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。  
如果設(shè)計(jì)合理,充電器級(jí)可用于將外部電源與電池和系統(tǒng)隔離,如圖2所示。在該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,電池組及系統(tǒng)的正極終端被連接至充電器的輸出。充電器功率級(jí)有效地將外部適配器與系統(tǒng)電源總線隔離。

實(shí)施如圖2所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以后就得到了一種穩(wěn)健的設(shè)計(jì),其充電器級(jí)整合了輸入過(guò)電壓保護(hù)(OVP)功能,以監(jiān)測(cè)輸入電壓并在探測(cè)到直流過(guò)電壓時(shí)關(guān)閉充電器級(jí)。當(dāng)充電器級(jí)關(guān)閉時(shí),系統(tǒng)的電源總線與適配器的輸出完全隔離。對(duì)于5V的穩(wěn)壓適配器而言,其輸入過(guò)電壓保護(hù)閾值通常設(shè)定為6.5V。bq2406X系列提供了6.5V及10.5V的選擇以適用于穩(wěn)壓和非穩(wěn)壓適配器。

圖2:充電器級(jí)將外部電源與電池和系統(tǒng)隔離。 
為隔離并保護(hù)系統(tǒng)和電池免受外部電源瞬變過(guò)電壓的損害,可以使用具有約2倍于一般適配器額定電壓的寬輸入電壓范圍的充電器級(jí)。

需要注意的是,在上述所討論的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,若最小的系統(tǒng)電流(例如待機(jī)模式下)高于終止電流閾值,則可能會(huì)產(chǎn)生鎖死情況。如果系統(tǒng)電流高于終止電流閾值,那么將無(wú)法對(duì)終止電流進(jìn)行檢測(cè)。安全計(jì)時(shí)器將被激活,充電器級(jí)將在電池充至滿(mǎn)容量之前就斷電。為解決可能發(fā)生的該問(wèn)題,當(dāng)設(shè)備處于高功率模式而電池充電器處于開(kāi)啟模式時(shí),bq2406X系列提供了一個(gè)關(guān)閉安全計(jì)時(shí)器以及充電終止功能的選項(xiàng)。

散熱管理與故障保護(hù)
線性充電器中至系統(tǒng)電源總線的高輸入電壓差分可導(dǎo)致裸片溫度上升,甚至?xí)^(guò)最高的結(jié)點(diǎn)溫度值并引起熱損壞。為避免該問(wèn)題發(fā)生,此類(lèi)設(shè)計(jì)必須考慮使用包含了熱關(guān)斷及熱調(diào)節(jié)功能的穩(wěn)健的散熱管理解決方案。

通常,所有集成充電器IC都必須具有內(nèi)部熱關(guān)斷功能,一旦IC的內(nèi)部結(jié)點(diǎn)溫度超過(guò)了最高結(jié)點(diǎn)溫度值,熱關(guān)斷功能將被觸發(fā),以確保運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)發(fā)生熱損壞。在典型的應(yīng)用中,當(dāng)充電電流大約為1A而充電器輸入電壓高于電池電壓2~3V時(shí),熱關(guān)斷功能將被激活。在激活狀態(tài)下,熱關(guān)斷電路將關(guān)閉充電器功率級(jí),以避免熱損壞。通常的熱關(guān)斷電路都具有設(shè)計(jì)上的滯后效應(yīng)。當(dāng)IC裸片溫度降低時(shí),功率級(jí)才重新開(kāi)啟。裸片溫度會(huì)一直升高,直到熱關(guān)斷電路被再次激活。其散熱所維持時(shí)間可達(dá)數(shù)秒,維持時(shí)間取決于PCB的布局,該工作模式在以充電狀態(tài)LED指示時(shí)一般被稱(chēng)為“閃爍”(flashing)模式。

為解決此類(lèi)散熱問(wèn)題,可添加一個(gè)散熱環(huán)路,以降低充電電流并確保IC結(jié)點(diǎn)溫度低于熱關(guān)斷閾值。為bq2406X系列線性充電器添加了散熱環(huán)路的運(yùn)行如圖2所示。散熱環(huán)路在激活狀態(tài)下可有效降低充電電流,降低充電器級(jí)功率MOSFET的功耗。

需要注意的是,具有散熱環(huán)路的線性充電器在輸入電壓過(guò)高的情況下,充電電流值可降至非常低。在此類(lèi)情況下,誤終止(false termination)可對(duì)充電電流是否降至低于終止閾值進(jìn)行檢測(cè)。為避免此問(wèn)題,bq2406X將在散熱環(huán)路激活時(shí)使終止功能關(guān)閉。

動(dòng)態(tài)計(jì)時(shí)器控制
充電安全計(jì)數(shù)器用于檢測(cè)故障條件,如果充電周期時(shí)長(zhǎng)超過(guò)正常狀態(tài)下所期望的總體時(shí)間,且充電電流等于額定的快速充電電流,則判斷出現(xiàn)故障。在散熱環(huán)路激活狀態(tài)下,充電電流降低。若是散熱環(huán)路在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)被激活,那么故障安全計(jì)數(shù)器的故障狀態(tài)即可觀察得出。為避免錯(cuò)誤狀態(tài)的發(fā)生,bq2406X充電器IC激活了動(dòng)態(tài)計(jì)時(shí)器控制(DTC),這是一個(gè)內(nèi)置電路,其通過(guò)編程調(diào)整計(jì)時(shí)終止輸出的時(shí)間值來(lái)降低安全計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘效率。DTC電路將在散熱環(huán)路被激活時(shí)同時(shí)開(kāi)啟。
圖3:散熱環(huán)路在輸入電壓瞬變情況下的運(yùn)行。
散熱調(diào)節(jié)功能以及DTC電路提供了穩(wěn)健的散熱管理及故障保護(hù)方法,以保護(hù)充電器級(jí)和系統(tǒng)免遭瞬變或其他過(guò)電壓狀態(tài)所引起的散熱故障。

本文小結(jié)
此處所討論的便攜式設(shè)備在各廠商之間存在著激烈的競(jìng)爭(zhēng),并且在不斷進(jìn)行創(chuàng)新,差異化也在加強(qiáng)。隨著便攜式設(shè)備所安置的使用環(huán)境越來(lái)越嚴(yán)苛(例如,在炎熱的夏日將電話放置在汽車(chē)內(nèi)充電,或是插入了廉價(jià)的配件或錯(cuò)誤的適配器),終端用戶(hù)將繼續(xù)面對(duì)在穩(wěn)健性及穩(wěn)定性方面便攜式設(shè)備所帶來(lái)的挑戰(zhàn)。一類(lèi)產(chǎn)品與其他產(chǎn)品的主要區(qū)別體現(xiàn)在出現(xiàn)上述不希望出現(xiàn)的狀態(tài)時(shí),設(shè)備的穩(wěn)定性、可靠性以及穩(wěn)健性的不同。bq2406X產(chǎn)品系列具有獨(dú)特的輸入過(guò)電壓保護(hù)、散熱調(diào)節(jié)以及DTC功能,造就了一款穩(wěn)健的系統(tǒng)設(shè)計(jì)以解決這些問(wèn)題。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師的職責(zé)就在于將此類(lèi)因素納入考慮,以確保其產(chǎn)品更智能、更穩(wěn)健,以使其產(chǎn)品在眾多的產(chǎn)品中獨(dú)樹(shù)一幟,而不是“泯然眾人”。
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