1.概述

對(duì)于現(xiàn)今的智能手機(jī)、平板電腦、移動(dòng)銷售終端等便攜式設(shè)備來說，電池使用時(shí)間和充電時(shí)間都成了問題，主要是因?yàn)樵絹碓綇?qiáng)大的處理器對(duì)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(shí)長的需求。要對(duì)大容量的電池進(jìn)行充電，延長充電時(shí)間或加大充電電流以縮短充電時(shí)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(xiàng)。 ? ? 要用大電流對(duì)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(tái)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(duì)鋰離子電池的充電是需要特別小心的，因?yàn)殄e(cuò)誤的充電方法可以縮短電池壽命、對(duì)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(gè)預(yù)充過程，這時(shí)候的電池電壓低于某個(gè)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(huì)發(fā)生，因?yàn)榇蠖鄶?shù)應(yīng)用都不會(huì)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(gè)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(shí)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(huì)逐漸下降。對(duì)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(duì)電池的過充和可能導(dǎo)致的危險(xiǎn)，這個(gè)值通常介于4.15V~4.4V之間。對(duì)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(duì)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(gè)閾值（通常在3.9V~4.0V之間），大多數(shù)充電器件會(huì)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(cè)能力和對(duì)輸出電壓、輸出電流分別進(jìn)行控制以實(shí)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(shí)，由于應(yīng)用場(chǎng)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(duì)鋰離子電池進(jìn)行快充面臨的挑戰(zhàn)

在對(duì)鋰離子電池進(jìn)行快速充電的實(shí)踐中，有許多實(shí)際的因素對(duì)理想充電條件的達(dá)成構(gòu)成了限制條件，圖2對(duì)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(shí)尤其突出，因?yàn)樗鼈兙哂袊?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(huì)變大，這將導(dǎo)致檢測(cè)到的電池電壓和實(shí)際的電池電壓之間的差異。 · 快充會(huì)導(dǎo)致電池溫升的提高，因此大部分充電器件都會(huì)對(duì)電池溫度進(jìn)行檢測(cè)，并在溫度太高時(shí)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(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)為電池進(jìn)行充電。大多數(shù)應(yīng)用系統(tǒng)都會(huì)有一個(gè)應(yīng)用處理器，它可以對(duì)接入的USB端口的供電能力進(jìn)行檢測(cè)，再根據(jù)此能力和所用電池的類型對(duì)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(shí)具有對(duì)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(duì)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(duì)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(huì)將平均輸入電流調(diào)整（AICR）的功能納入其設(shè)計(jì)中，其目標(biāo)是通過對(duì)充電電流的調(diào)節(jié)使充電器的輸入電流不要超過某個(gè)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(duì)USB端口的自動(dòng)檢測(cè)來實(shí)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(huì)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(duì)充電器的輸入電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并在輸入電壓下降至一定水平時(shí)降低 電池充電電流使輸入電壓維持在某個(gè)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(huì)出現(xiàn)過載的情形。
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通過D+ 和D- 對(duì)USB充電端口進(jìn)行檢測(cè)

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(shí)，充電器的輸入電流就必須低于500mA以避免造成端口過載。因?yàn)檫@個(gè)原因，大多數(shù)開關(guān)模式充電器都會(huì)在開始工作時(shí)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(cè)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)?，而CDP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(shí)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(shí)別。 充電IC可以在上電過程中對(duì)USB端口上的D+ 和D- 線進(jìn)行檢測(cè)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(huì)在充電器件的電壓檢測(cè)端子和實(shí)際的電池之間形成壓差，這種作用在較高的充電電流下會(huì)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(shí)間更長，因而加長了總的充電時(shí)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(duì)充電IC所檢測(cè)到的電壓進(jìn)行與實(shí)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(duì)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(shí)用的溫度范圍分成5個(gè)區(qū)間（冷，涼，常溫，暖，熱），并在不同的區(qū)間實(shí)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(duì)電池溫度進(jìn)行檢測(cè)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(gè)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(dòng)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(duì)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(cè)的方法外，還給出了在不同溫度區(qū)間對(duì)充電電流和電壓進(jìn)行修改的例子。 ?

自動(dòng)電源路徑管理

具有自動(dòng)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(shí)的電源路徑MOSFET處于導(dǎo)通狀態(tài)，Buck功率級(jí)在為系統(tǒng)提供工作電流的同時(shí)也在為電池提供充電電流。

圖 8: 充電器同時(shí)為系統(tǒng)和電池充電提供電流

? 在系統(tǒng)負(fù)載很重的時(shí)候，電池電流可以倒轉(zhuǎn)過來，實(shí)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(shí)候，作為電流通道存在的MOSFET開關(guān)就會(huì)被關(guān)斷，這時(shí)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(shí)，電源路徑控制開關(guān)將會(huì)自動(dòng)接通，電池開始向系統(tǒng)負(fù)載供電，此時(shí)位于VIN進(jìn)入路徑上起阻斷作用的MOSFET開關(guān)將會(huì)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(shí)間內(nèi)不會(huì)被使用（例如處于運(yùn)輸階段），某些充電器件還能進(jìn)入運(yùn)輸模式。在運(yùn)輸模式下，用于電源路徑管理的MOSFET會(huì)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(yùn)輸模式就可以被終止。參見圖12。

? 圖 12: 處于運(yùn)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(shí)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(shí)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(jì)意味著此端口在某些時(shí)候是電源輸入端，有些時(shí)候又需要向外部連接的設(shè)備供電，有些時(shí)候就完全是一個(gè)slave端口。

USB On-The-Go(OTG)對(duì)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(gè)ID端子，目的是對(duì)設(shè)備的Host或slave角色進(jìn)行標(biāo)識(shí)。在有這樣的端口的設(shè)備中，應(yīng)用處 理器通過檢測(cè)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(shí)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(dú)立的5V電源來使用，移動(dòng)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(shí)，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?yàn)殇囯x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(huì)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(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器損耗的提高，因而轉(zhuǎn)換效率也會(huì)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(duì)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(duì)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(huì)有通訊信號(hào)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(hào)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(duì)輸入電流進(jìn)行調(diào)制以實(shí)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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