此外，許多便攜設備的輸入連接也從專(zhuān)有方案轉為微型USB插口;USB供電（rev 1.0 Jul 2012） 標準的發(fā)布，更能適應最新的便攜設備USB端口的供電要求。這些都迫切需要既可提高能效又滿(mǎn)足上述要求的技術(shù)解決方案。推動(dòng)高能效創(chuàng )新的安森美半導體新推出了NCP185x系列開(kāi)關(guān)電池充電方案，幫助設計工程師應對便攜設備大容量電池的快速充電挑戰，并幫助優(yōu)化用戶(hù)體驗。

 

 

電池充放電管理在便攜設備設計的合理性和可靠性方面至關(guān)重要。電池充放電的挑戰之一是需要強固性、高能效及快速充電時(shí)間來(lái)滿(mǎn)足當今高性能、空間受限型應用的要求。而大容量電池需要更大的充電電流來(lái)縮短充電時(shí)間。

 

傳統線(xiàn)性電池充電方式（包括脈沖方式）在大電流下存在效率較低、發(fā)熱量大等問(wèn)題。與線(xiàn)性解決方案相比，開(kāi)關(guān)充電方案有明顯的優(yōu)勢，如可從輸入轉換更多的電能至輸出;工作能效更高，可降低能耗及簡(jiǎn)化手機設計;在輸入源受限時(shí)（如采用5 V，500 mA USB端口充電），能提供更大的電流。綜合上述優(yōu)勢，開(kāi)關(guān)電池充電器件的充電速度可比線(xiàn)性電池充電器快30%。

 

由于手機等設備無(wú)法知道用戶(hù)使用的電源適配器或USB端口的負載電流能力，所以充電管理器件必須具有檢測適配器或USB端口負載電流的功能，以確保手機設備在安全電流條件下工作。在充電結束后，充電管理器件應斷開(kāi)與系統的連接，系統從外部電源取電;只有當外部電源移出時(shí)，系統才從電池取電。

 

安森美半導體的NCP185x系列開(kāi)關(guān)電池充電器件就是一種新的充電技術(shù)。其充電過(guò)程迅速，具有自動(dòng)輸入限流（AICL）功能;在充電結束時(shí)還可自動(dòng)斷開(kāi)電池連接，延長(cháng)電池壽命。它可以提供更大的輸出電流，效率高達85%，發(fā)熱量小，實(shí)現更快、更安全高效的充電，有助于提升用戶(hù)體驗;還可以提高系統穩定性，簡(jiǎn)化系統設計。

 

NCP185x系列在輸入源受限的情況下，采用符合100 mA、500 mA、900 mA或1.5 A USB充電規范的輸入電流限制器，利用自動(dòng)檢測模式在最大充電電流時(shí)進(jìn)行調整，使其適應輸入源的能力，并可縮短最少達10分鐘的總體充電時(shí)間。

 

圖1：利用自動(dòng)輸入限流縮短總體充電時(shí)間

 

 

不少用戶(hù)經(jīng)常抱怨電池壽命短，許多便攜系統的電池壽命在使用幾個(gè)月后就受到明顯影響，原因是電池在充電結束后還一直在充電。優(yōu)化電池總體壽命的方法是在充電結束時(shí)電池連接即自動(dòng)斷開(kāi)。安森美半導體NCP185x帶有充放電路徑管理功能，可以在系統充電結束時(shí)自動(dòng)斷開(kāi)電池連接，系統僅從外部帶有適配器或USB端口取電，僅在出現峰值電流活動(dòng)（大于外部電源適配器所能提供的電流，如使用GSM）時(shí)，才導通電池與系統之間連接，短時(shí)間從系統補充電流，其他時(shí)間電池與系統保持管理。在外部電源連接情況下，系統優(yōu)先從外部適配器取電，以保存電池電量，延長(cháng)電池使用時(shí)間，如圖2所示。

 

圖2：充電結束時(shí)自動(dòng)斷開(kāi)電池連接

 

如果使用不帶充放電路徑管理的器件，充電結束后，充電模塊關(guān)閉，系統開(kāi)始從電池取電，電池電壓隨之降低，一旦電壓降低到一個(gè)門(mén)限值，充電周期重新開(kāi)始，使電池經(jīng)常處于充放電、再充電循環(huán)之中，容易造成電池過(guò)早老化。

 

 

電池充電的另一個(gè)挑戰是需要改善用戶(hù)體驗。用戶(hù)時(shí)常有這樣的疑問(wèn)：為什么電池電量低時(shí)我要充電5分鐘后系統才能導通系統？這是因為當用戶(hù)連接便攜設備充電的同時(shí)，通常也需要使用設備。令人尷尬的是，即使是最新型設備也要求約5分鐘的初始充電，然后才允許系統啟動(dòng)及使用。如果采用雙路徑管理（DPM）技術(shù)，即可在插入充電線(xiàn)纜時(shí)立即導通便攜設備。

 

NCP185x系列就應用了這樣的即時(shí)導通系統技術(shù)，由于器件內集成的電流源可為電池充電，即使電池電壓非常低，當用戶(hù)插入電源適配器時(shí)，也可使系統電壓保持在3.6V，讓系統立即開(kāi)啟，無(wú)需等待;另外，內部集成的一個(gè)5 V升壓器支持USB On-The-Go（OTG）反向供電，或用于HDMI接口的DDC電壓供電，可以一邊安全地給電池充電，一邊單獨為系統供電，如圖3所示。當電池電壓達到3.4 V時(shí)預充電結束，外部充電MOS管導通，系統電壓跟隨電池電壓。傳統充電器在電池電量低時(shí)，電池需要預充電一段時(shí)間，等待電池電壓恢復到最低電壓以上才能開(kāi)機。

 

圖3：插入充電線(xiàn)纜時(shí)即時(shí)導通便攜設備

 

安森美半導體的器件還支持死電池激活。當電池電壓低于2.2 V時(shí)，開(kāi)關(guān)充電器件提供10 mA小電流激活電池。此時(shí)系統仍可立即開(kāi)機。

 

 

對于平板電腦來(lái)說(shuō)，通常需要支持USB OTG功能。USB OTG附件要求便攜設備在USB事務(wù)處理中充當USB主機，在VBUS線(xiàn)路上提供5 V輸出電壓，供外設使用;一些智能手機帶有HDMI輸出接口，也需要一個(gè)5 V DDC電壓。這通常要使用外部升壓直流-直流（DC-DC）轉換器將電池電壓升壓至5 V、500 mA的穩壓電壓軌。NCP185x系列器件集成了一個(gè)5 V升壓器，能支持USB OTG附件或HDMI輸出接口，最大提供500 mA電流，并省去了一個(gè)外部升壓轉換器。NCP185x系列接地的ID引腳可以識別USB OTG附件，應用反向升壓轉換器來(lái)提供5 V、500 mA輸出，不僅可以支持USB OTG功能，還可以為物料單（BOM）節省1顆額外電感。

 

圖4：支持USB OTG功能

 

 

另一個(gè)電池充電的挑戰是要保證設備安全性不受影響。NCP185x系列采用了多種安全措施來(lái)實(shí)現這一目標，包括正向及負向嵌入式過(guò)壓保護（OVP）、內部結溫傳感器及管理，以及外部電池負溫度系數（NTC）及JEITA管理，而且可提供事件報告機制，將插入、過(guò)壓、過(guò)熱、過(guò)冷、充電周期狀態(tài)、充電開(kāi)始、充電完成等報告給CPU進(jìn)行相應處理。

 

獨特的正向及負向過(guò)壓保護可防止新便攜設備受到過(guò)壓的損壞。線(xiàn)纜及充電器都是一般商品，在廉價(jià)的零配件市場(chǎng)就可以買(mǎi)到，出現故障的可能性很高。充電源可以是交流適配器（電壓達20 V）、計算機USB端口（通常12 V-20 V）、小汽車(chē)車(chē)載套件（典型值12 V）或卡車(chē)（典型值24 V），因此只有強固的正向28 V過(guò)壓保護才可以保護設備的安全，且在上述所有應用場(chǎng)景下都提供足夠的裕量。NCP185x系列可提供+28 V過(guò)壓保護，可防止充電器故障或熱插拔時(shí)過(guò)高的浪涌電壓損壞開(kāi)關(guān)充電器件;此外還有一種情況，在出現插口/連接器故障時(shí)，VIN和GND可能反向，NCP1852率先提供了-20 V OVP能力以幫助保護正在充電的手機。

 

NCP185x系列具有電池溫度監測功能，可監測4個(gè)溫度區（根據JEITA規范）：冷《+5℃，不充電;正常溫度+5℃至+45℃，滿(mǎn)額充電;熱》45℃，降低充電電流;燙》65℃，不充電，從而確保電池充電過(guò)程不會(huì )過(guò)熱、起火和爆炸。電池溫度監測功能是完全可軟件編程的。

 

圖5：4個(gè)溫度區的電池溫度監測

 

NCP185x系列還可以將充電操作的變化或意料之外的故障報告給外部FLAG引腳，以便中斷充電;應用處理器可以通過(guò)I2C啟動(dòng)充電控制及充電周期，且配合報告充電事件。

 

 

安森美半導體提供豐富的開(kāi)關(guān)電池充電器件產(chǎn)品陣容來(lái)應對便攜設備的充電挑戰。NCP185x系列目前包括的NCP1850、NCP1851和NCP1852三款產(chǎn)品都可以滿(mǎn)足這一要求，并又各有特色。今后，這系列產(chǎn)品還將增加更多產(chǎn)品，支持更大充電電流，配合用戶(hù)的更廣泛需求。

 

圖6：安森美半導體NCP185x系列開(kāi)關(guān)電池充電器產(chǎn)品架構

 

其中，NCP1851是一款低高度、1.6 A、極具創(chuàng )新的開(kāi)關(guān)電池充電器，允許使用功率有限的電源，如標準墻壁充電器和USB;NCP1852是首款帶+28V/-20V OVP的1.8A SBC，允許使用高功率墻壁充電器和USB等電源;NCP1850則是帶雙路徑的最小尺寸1.5 A SBC，允許以低系統成本使用標準墻充電器和USB等功率有限的電源。

 

以NCP1851為例，它是一款完全可編程的鋰離子開(kāi)關(guān)電池充電器件，可大幅縮短充電時(shí)間，延長(cháng)電池使用時(shí)間，并增添了先進(jìn)的啟動(dòng)功能。該器件集成了動(dòng)態(tài)電源路徑管理功能，在電池電量低的情況下能迅速導通系統，對已深度放電的電池充電。該器件的內部結溫傳感器，以及外部負溫度系數熱敏電阻通過(guò)將專(zhuān)用中斷傳達給I2C控制總線(xiàn)來(lái)確保系統安全充電。NCP1851提供USB OTG模式，無(wú)需另一個(gè)升壓轉換器，即可將電源配件插入USB端口。NCP1851提供1.6 A充電能力，尺寸僅為2.2×2.55 mm，用于符合USB標準的最新輸入電源及大容量電池，能在90分鐘內完成1，650 mAh、4.2 V鋰離子電池的完整充電周期。

 

NCP1851與NCP185x系列的其他產(chǎn)品一樣，比競爭產(chǎn)品有更高的過(guò)壓保護能力、更大的充電電流，以及更大的USB OTG反向輸入電流能力，支持態(tài)路徑管理及電池激活功能。這些新器件所具有的快速充電時(shí)間性能及先進(jìn)的功能組合，能以單芯片方案簡(jiǎn)單地融入到最新USB充電設計中，為提升智能手機、平板電腦及其它手持設備（包括便攜醫療產(chǎn)品）的能效，實(shí)現這些產(chǎn)品的更高集成度、小型化、易用性、便攜性和耐久性提供了完善的解決方案，也使安森美半導體的開(kāi)關(guān)電池充電器件贏(yíng)得了更多主要客戶(hù)的青睞和采用。

 

 

智能手機及平板電腦等便攜設備越來(lái)越趨向采用更大容量的電池以配合大屏幕背光及多內核處理器工作對電池電量的更高需求。與此同時(shí)，用戶(hù)需要快速的充電時(shí)間，且可能在充電時(shí)使用設備，還期望延長(cháng)電池使用壽命及支持USB OTG附件等。安森美半導體的NCP185x系列大電流開(kāi)關(guān)電池充電器幫助設計人員解決這些挑戰，不僅更快速高速地充電，還提供豐富保護特性，優(yōu)化用戶(hù)體驗，幫助設計人員開(kāi)發(fā)出更具競爭力的便攜產(chǎn)品。

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