安森美半导体新系列开关电池充电方案应对便携设备充电挑战

日期:2013-01-07

  近年来,智能手机、平板电脑等便携设备市场强劲发展,更大尺寸的屏幕日渐流行,消费者对应用处理器、图形处理器及外设的电源管理体验的要求越来越高。这些促使便携设备采用更大容量的电池,如一些最新智能手机配备了2000 mAh甚至达3000 mAh电池,电池生态系统趋势也随之发生了重大变化。

  此外,许多便携设备的输入连接也从专有方案转为微型USB插口;USB供电(rev 1.0 Jul 2012) 标准的发布,更能适应最新的便携设备USB端口的供电要求。这些都迫切需要既可提高能效又满足上述要求的技术解决方案。推动高能效创新的安森美半导体新推出了NCP185x系列开关电池充电方案,帮助设计工程师应对便携设备大容量电池的快速充电挑战,并帮助优化用户体验。

  采用新颖的自动输入限流器(AICL)技术实现更快速充电

  电池充放电管理在便携设备设计的合理性和可靠性方面至关重要。电池充放电的挑战之一是需要强固性、高能效及快速充电时间来满足当今高性能、空间受限型应用的要求。而大容量电池需要更大的充电电流来缩短充电时间。

  传统线性电池充电方式(包括脉冲方式)在大电流下存在效率较低、发热量大等问题。与线性解决方案相比,开关充电方案有明显的优势,如可从输入转换更多的电能至输出;工作能效更高,可降低能耗及简化手机设计;在输入源受限时(如采用5 V,500 mA USB端口充电),能提供更大的电流。综合上述优势,开关电池充电器件的充电速度可比线性电池充电器快30%。

  由于手机等设备无法知道用户使用的电源适配器或USB端口的负载电流能力,所以充电管理器件必须具有检测适配器或USB端口负载电流的功能,以确保手机设备在安全电流条件下工作。在充电结束后,充电管理器件应断开与系统的连接,系统从外部电源取电;只有当外部电源移出时,系统才从电池取电。

  安森美半导体的NCP185x系列开关电池充电器件就是一种新的充电技术。其充电过程迅速,具有自动输入限流(AICL)功能;在充电结束时还可自动断开电池连接,延长电池寿命。它可以提供更大的输出电流,效率高达85%,发热量小,实现更快、更安全高效的充电,有助于提升用户体验;还可以提高系统稳定性,简化系统设计。

  NCP185x系列在输入源受限的情况下,采用符合100 mA、500 mA、900 mA或1.5 A USB充电规范的输入电流限制器,利用自动检测模式在最大充电电流时进行调整,使其适应输入源的能力,并可缩短最少达10分钟的总体充电时间。

  图1:利用自动输入限流缩短总体充电时间

  充电结束时自动断开电池连接,延长电池使用寿命

  不少用户经常抱怨电池寿命短,许多便携系统的电池寿命在使用几个月后就受到明显影响,原因是电池在充电结束后还一直在充电。优化电池总体寿命的方法是在充电结束时电池连接即自动断开。安森美半导体NCP185x带有充放电路径管理功能,可以在系统充电结束时自动断开电池连接,系统仅从外部带有适配器或USB端口取电,仅在出现峰值电流活动(大于外部电源适配器所能提供的电流,如使用GSM)时,才导通电池与系统之间连接,短时间从系统补充电流,其他时间电池与系统保持管理。在外部电源连接情况下,系统优先从外部适配器取电,以保存电池电量,延长电池使用时间,如图2所示。

  图2:充电结束时自动断开电池连接

  如果使用不带充放电路径管理的器件,充电结束后,充电模块关闭,系统开始从电池取电,电池电压随之降低,一旦电压降低到一个门限值,充电周期重新开始,使电池经常处于充放电、再充电循环之中,容易造成电池过早老化。

  即时导通技术改善用户体验

  电池充电的另一个挑战是需要改善用户体验。用户时常有这样的疑问:为什么电池电量低时我要充电5分钟后系统才能导通系统?这是因为当用户连接便携设备充电的同时,通常也需要使用设备。令人尴尬的是,即使是最新型设备也要求约5分钟的初始充电,然后才允许系统启动及使用。如果采用双路径管理(DPM)技术,即可在插入充电线缆时立即导通便携设备。

  NCP185x系列就应用了这样的即时导通系统技术,由于器件内集成的电流源可为电池充电,即使电池电压非常低,当用户插入电源适配器时,也可使系统电压保持在3.6V,让系统立即开启,无需等待;另外,内部集成的一个5 V升压器支持USB On-The-Go(OTG)反向供电,或用于HDMI接口的DDC电压供电,可以一边安全地给电池充电,一边单独为系统供电,如图3所示。当电池电压达到3.4 V时预充电结束,外部充电MOS管导通,系统电压跟随电池电压。传统充电器在电池电量低时,电池需要预充电一段时间,等待电池电压恢复到最低电压以上才能开机。

  图3:插入充电线缆时即时导通便携设备

  安森美半导体的器件还支持死电池激活。当电池电压低于2.2 V时,开关充电器件提供10 mA小电流激活电池。此时系统仍可立即开机。

  支持USB OTG附件

  对于平板电脑来说,通常需要支持USB OTG功能。USB OTG附件要求便携设备在USB事务处理中充当USB主机,在VBUS线路上提供5 V输出电压,供外设使用;一些智能手机带有HDMI输出接口,也需要一个5 V DDC电压。这通常要使用外部升压直流-直流(DC-DC)转换器将电池电压升压至5 V、500 mA的稳压电压轨。NCP185x系列器件集成了一个5 V升压器,能支持USB OTG附件或HDMI输出接口,最大提供500 mA电流,并省去了一个外部升压转换器。NCP185x系列接地的ID引脚可以识别USB OTG附件,应用反向升压转换器来提供5 V、500 mA输出,不仅可以支持USB OTG功能,还可以为物料单(BOM)节省1颗额外电感。

  图4:支持USB OTG功能

  多管齐下保证设备的安全性

  另一个电池充电的挑战是要保证设备安全性不受影响。NCP185x系列采用了多种安全措施来实现这一目标,包括正向及负向嵌入式过压保护(OVP)、内部结温传感器及管理,以及外部电池负温度系数(NTC)及JEITA管理,而且可提供事件报告机制,将插入、过压、过热、过冷、充电周期状态、充电开始、充电完成等报告给CPU进行相应处理。

  独特的正向及负向过压保护可防止新便携设备受到过压的损坏。线缆及充电器都是一般商品,在廉价的零配件市场就可以买到,出现故障的可能性很高。充电源可以是交流适配器(电压达20 V)、计算机USB端口(通常12 V-20 V)、小汽车车载套件(典型值12 V)或卡车(典型值24 V),因此只有强固的正向28 V过压保护才可以保护设备的安全,且在上述所有应用场景下都提供足够的裕量。NCP185x系列可提供+28 V过压保护,可防止充电器故障或热插拔时过高的浪涌电压损坏开关充电器件;此外还有一种情况,在出现插口/连接器故障时,VIN和GND可能反向,NCP1852率先提供了-20 V OVP能力以帮助保护正在充电的手机。

  NCP185x系列具有电池温度监测功能,可监测4个温度区(根据JEITA规范):冷<+5℃,不充电;正常温度+5℃至+45℃,满额充电;热>45℃,降低充电电流;烫>65℃,不充电,从而确保电池充电过程不会过热、起火和爆炸。电池温度监测功能是完全可软件编程的。

  图5:4个温度区的电池温度监测

  NCP185x系列还可以将充电操作的变化或意料之外的故障报告给外部FLAG引脚,以便中断充电;应用处理器可以通过I2C启动充电控制及充电周期,且配合报告充电事件。

  宽广阵容的NCP185x系列应对不同需求

  安森美半导体提供丰富的开关电池充电器件产品阵容来应对便携设备的充电挑战。NCP185x系列目前包括的NCP1850、NCP1851和NCP1852三款产品都可以满足这一要求,并又各有特色。今后,这系列产品还将增加更多产品,支持更大充电电流,配合用户的更广泛需求。

  图6:安森美半导体NCP185x系列开关电池充电器产品架构

  其中,NCP1851是一款低高度、1.6 A、极具创新的开关电池充电器,允许使用功率有限的电源,如标准墙壁充电器和USB;NCP1852是首款带+28V/-20V OVP的1.8A SBC,允许使用高功率墙壁充电器和USB等电源;NCP1850则是带双路径的最小尺寸1.5 A SBC,允许以低系统成本使用标准墙充电器和USB等功率有限的电源。

  以NCP1851为例,它是一款完全可编程的锂离子开关电池充电器件,可大幅缩短充电时间,延长电池使用时间,并增添了先进的启动功能。该器件集成了动态电源路径管理功能,在电池电量低的情况下能迅速导通系统,对已深度放电的电池充电。该器件的内部结温传感器,以及外部负温度系数热敏电阻通过将专用中断传达给I2C控制总线来确保系统安全充电。NCP1851提供USB OTG模式,无需另一个升压转换器,即可将电源配件插入USB端口。NCP1851提供1.6 A充电能力,尺寸仅为2.2×2.55 mm,用于符合USB标准的最新输入电源及大容量电池,能在90分钟内完成1,650 mAh、4.2 V锂离子电池的完整充电周期。

  NCP1851与NCP185x系列的其他产品一样,比竞争产品有更高的过压保护能力、更大的充电电流,以及更大的USB OTG反向输入电流能力,支持态路径管理及电池激活功能。这些新器件所具有的快速充电时间性能及先进的功能组合,能以单芯片方案简单地融入到最新USB充电设计中,为提升智能手机、平板电脑及其它手持设备(包括便携医疗产品)的能效,实现这些产品的更高集成度、小型化、易用性、便携性和耐久性提供了完善的解决方案,也使安森美半导体的开关电池充电器件赢得了更多主要客户的青睐和采用。

  总结:

  智能手机及平板电脑等便携设备越来越趋向采用更大容量的电池以配合大屏幕背光及多内核处理器工作对电池电量的更高需求。与此同时,用户需要快速的充电时间,且可能在充电时使用设备,还期望延长电池使用寿命及支持USB OTG附件等。安森美半导体的NCP185x系列大电流开关电池充电器帮助设计人员解决这些挑战,不仅更快速高速地充电,还提供丰富保护特性,优化用户体验,帮助设计人员开发出更具竞争力的便携产品。

        www.onsemi.cn

  安森美半导体供稿
 

订阅我们的通讯!

电子邮件地址