近年來，由于便攜式產(chǎn)品的普及化，如智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦、MP3隨身聽等，幾乎人人都使用這些便攜式產(chǎn)品，但是當(dāng)你出門在外正在使用智能手機(jī)打電話或使用平板電腦看影片時(shí)，電池突然沒電了，常常讓人覺得非常無奈。為避免外出時(shí)遇上智能手機(jī)或平板電腦沒電的窘?jīng)r，對于這些便攜式產(chǎn)品來說，移動電源(Power Bank)幾乎成為必備的配件。同時(shí)，隨著鋰離子電池相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，使得移動電源的電池容量愈來愈大但體積卻不增反減，大大提升了移動電源攜帶的便利性。
目前，移動電源本身除了追求愈來愈大的電池容量與僅可能輕薄小巧的外型外，其充電所需的時(shí)間長短與可釋放出來的總電量多寡也為消費(fèi)者選購時(shí)關(guān)心的重點(diǎn)。因此，如何設(shè)計(jì)充電時(shí)間短、轉(zhuǎn)換效率高的移動電源電路，亦為移動電源產(chǎn)品設(shè)計(jì)上的重要課題。有鑒于此，本文將說明如何實(shí)現(xiàn)一體積小、效率高的移動電源電路。
電路方案
目前移動電源的電路方案大致上可分為三種，第一種方案是Charger IC + Boost IC，此種方案利用Charger IC對移動電源的鋰電池充電，Boost IC對移動裝置放電，如圖1所示。第二種方案是MCU + Charger IC + Boost IC，除了第一種方案的部分外，多了MCU對鋰電池及輸入輸出電壓作偵測，此種方案目前比較常見，如圖2所示。第三種方案則是MCU + Combo IC，此種方案是將Charger IC及Boost IC整合成一顆IC，可以減少零件的數(shù)量，節(jié)省PCB空間，如圖3所示。而本文將針對目前比較常見的第二種方案做詳細(xì)介紹。
移動電源電路
這幾年，隨著便攜式產(chǎn)品不斷成長，移動電源的需求也持續(xù)增加，輕薄小巧、快速充電、轉(zhuǎn)換效率高及高安全性等也成為消費(fèi)者購買移動電源時(shí)的首要考慮，為了滿足消費(fèi)者的需求，許多公司都推出移動電源解決方案，在此我們以沛亨半導(dǎo)體所開發(fā)的AIC6511及AIC3420作為設(shè)計(jì)范例，提供給讀者參考。
從上一節(jié)可以得知，一個(gè)完整的移動電源電路包含了電池充電管理IC、升壓轉(zhuǎn)換器IC及MCU，每個(gè)部分都會影響移動電源的整體效能，所以選用適當(dāng)?shù)腎C是非常重要的。圖4所示為本文所要介紹的移動電源電路，主要由AIC6511鋰離子電池充電轉(zhuǎn)換器、AIC3420升壓轉(zhuǎn)換器及MCU所組成。底下將針對所提出的移動電源電路做詳細(xì)的說明。
A. 鋰離子電池充電轉(zhuǎn)換器
鋰離子電池是目前應(yīng)用最廣泛的可重復(fù)充電式電池，可將單顆鋰電池用于低功率產(chǎn)品，也可以將多顆鋰電池串并聯(lián)得到更高電壓與容量，例如移動電源就是將多顆鋰電池并聯(lián)來獲得高容量。鋰電池具有能量密度高、自放電率低、無記憶效應(yīng)、壽命長、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，非常適合做為便攜式產(chǎn)品的電力來源。
鋰電池充電IC分為線性式及切換式兩種，線性式充電IC的成本低，IC接腳數(shù)較少，只需要少數(shù)的被動組件。然而線性式充電IC有較大的功率損耗，若設(shè)計(jì)不好常會導(dǎo)致IC溫度過高，且一般移動電源大多使用散熱較差的塑料外殼，使得線性式充電IC無法提供較大的充電電流，因此線性式充電IC通常比較適合低容量鋰離子電池應(yīng)用。若希望在短時(shí)間之內(nèi)將電池充飽，則必須要提高充電電流，此時(shí)可以考慮應(yīng)用切換式充電IC。切換式充電IC利用開關(guān)的高頻切換來達(dá)到能量的傳遞，可提供較大的充電電流，且具有高轉(zhuǎn)換效率不會有過熱現(xiàn)象，適合高容量電池的充電應(yīng)用。
充電過程中，當(dāng)電池電壓上升到4.2V時(shí)，要立即停止充電，以避免電池過充而產(chǎn)生危險(xiǎn)，而當(dāng)電池放電時(shí)，電池電壓如果降至2.5V以下，要立即停止放電，以免電池過放而減少電池的使用壽命。除此之外，鋰電池在應(yīng)用上，還會加上短路保護(hù)電路，防止鋰電池因短路而造成危險(xiǎn)。
鋰電池對充電要求很高，需要精密的充電電路以保證充電的安全，尤其要求終止充電電壓精度在額定值的±0.5%之內(nèi)。目前鋰電池充電最常采用三段充電法，即預(yù)先充電模式(Trickle Charge Mode)、定電流充電模式(Constant Current Charge Mode)、定電壓充電模式(Constant Voltage Charge Mode)。充電IC在充電前會偵測電池的狀態(tài)，若電池電壓大于3V，將以定電流充電模式充電;若電池電壓低于3V，則以預(yù)先充電模式(約10%的定電流充電模式充電電流) 充電，到接近終止電壓時(shí)，改為定電壓模式充電，此時(shí)電池電壓幾乎不變，但充電電流會持續(xù)下降，當(dāng)充電電流降到某一值時(shí)(約10%的定電流充電模式充電電流)，充電電流會被關(guān)閉，完成充電。圖5所示為采用三段充電法的鋰電池充電特性曲線。
B. 鋰離子電池充電轉(zhuǎn)換器
AIC6511是一個(gè)高度整合的切換式鋰離子電池充電管理IC，具有高精度的電流及電壓調(diào)節(jié)能力，適合使用在單顆鋰電池的充電應(yīng)用，當(dāng)電池電壓接近輸入電壓時(shí)，將會進(jìn)入責(zé)任周期為100%的工作模式持續(xù)對電池進(jìn)行充電，而其本身高達(dá)1.6MHz的切換頻率，將有助減少外部零件的尺寸。此外，其也具備提供充電狀態(tài)指示及電池移除偵測機(jī)制，支持USB mode及AC Adapter mode兩種輸入模式，最大可以輸出2A的充電電流，充電電流可由外部電阻來決定。預(yù)先充電電流(Trickle Charge Current)可以由下列公式計(jì)算：
預(yù)先充電電流(Trickle Charge Current)可以由下列公式計(jì)算
定電流充電電流(Constant Current Charge Current)可由下列公式計(jì)算：
定電流充電電流(Constant Current Charge Current)可由下列公式計(jì)算
當(dāng)使用USB電源做為輸入時(shí)，則可對輸入電流做限制使輸入電流可以低于USB電源所能提供的電流，避免USB電源進(jìn)入過流保護(hù)，輸入電流限制設(shè)定值的計(jì)算公式如下：
輸入電流限制設(shè)定值的計(jì)算公式如下
此外，安全定時(shí)器(Safety Timer)，可避免因電池?fù)p壞時(shí)充電時(shí)間過長，造成危險(xiǎn)。只要充電時(shí)間達(dá)到設(shè)定的安全計(jì)時(shí)時(shí)間，即便電池還未達(dá)到終止電壓，充電IC也會關(guān)閉充電電流，停止充電。安全計(jì)時(shí)時(shí)間可以透過電容C5來設(shè)定，預(yù)先充電(Trickle Charge)模式下之安全計(jì)時(shí)時(shí)間可由下列公式計(jì)算：
預(yù)先充電(Trickle Charge)模式下之安全計(jì)時(shí)時(shí)間可由下列公式計(jì)算
定電流充電(Constant Current Charge) 模式下之安全計(jì)時(shí)時(shí)間則可由下列公式計(jì)算：
定電流充電(Constant Current Charge) 模式下之安全計(jì)時(shí)時(shí)間則可由下列公式計(jì)算
為避免電池高溫充電，并提高安全性，IC透過負(fù)溫度系數(shù)(NTC, Negative Temperature Coefficient)熱敏電阻來偵測電池溫度，當(dāng)溫度過高或過低時(shí)，IC會馬上終止充電，只有在電池溫度維持在安全范圍內(nèi)(通常是0～45℃)時(shí)，才會對電池進(jìn)行充電。而為了防止電池放電到輸入端，內(nèi)建的休眠模式(Sleep Mode)功能，當(dāng)輸入端電壓低于電池電壓時(shí)， P-channel MOSFET Power Switch將會關(guān)閉以防止電池對充電IC或輸入端進(jìn)行放電。
另外，短路保護(hù)(Short Circuit Protection)功能、過電流保護(hù)(Over Current Protection)功能及過溫度保護(hù)(Over Temperature Protection)功能，當(dāng)輸出發(fā)生短路時(shí)，短路保護(hù)功能啟動，電感電流會被限制住且切換頻率也會降低以減少損失;IC本身也會偵測流經(jīng)內(nèi)部功率開關(guān)的電流，當(dāng)功率開關(guān)的電流過大時(shí)，過電流保護(hù)功能啟動，限制住功率開關(guān)的電流不再往上增加，以保護(hù)內(nèi)部的切換開關(guān);此外，當(dāng)IC結(jié)面溫度達(dá)到150oC時(shí)，過溫度保護(hù)功能將會啟動，IC會停止充電，直到IC溫度降至120oC，才回復(fù)充電。
C. 升壓轉(zhuǎn)換器與MCU
AIC3420是一個(gè)具輕載高效率的同步升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器IC，最低輸入啟動電壓為0.9V，可以使用單顆鋰電池做為輸入電源，最大輸出電流可達(dá)2.1A，適合較大電流的應(yīng)用。當(dāng)負(fù)載操作在輕載時(shí)，IC會切換至PSM (Pulse Skipping Mode) 模式降低待機(jī)的功率損失，提升輕載效率。True Shutdown功能，使IC 進(jìn)入Shutdown模式時(shí)，輸出電壓降為0V。而零電流偵測(Zero Current Detection)功能讓電感電流不會有倒灌現(xiàn)象，可大幅改善輕載效率，最高效率可達(dá)94%，對移動電源來說可以更有效率的放電。
另外，柔性啟動(Soft Start)功能以限制啟動時(shí)輸出電壓的過沖(Overshoot)及涌浪電流(Inrush Current)，避免IC及零件的損壞。而AIC3420本身也具有短路保護(hù)、過電流保護(hù)、過溫度保護(hù)及過電壓保護(hù)功能。
本文所介紹的移動電源電路中，MCU的主要功能為輸入電壓偵測、輸出電壓偵測、電池電量狀況顯示以及輸出過電流保護(hù)等。電路中，LED將顯示電池的電量，可以讓使用者知道電池的電量狀況。而當(dāng)輸入及輸出電壓過高或過低時(shí)，MCU會送出訊號關(guān)閉IC;另外，當(dāng)發(fā)生輸出過電流時(shí)，MCU也會關(guān)閉IC來保護(hù)電池及IC。
結(jié)論
便攜式產(chǎn)品的蓬勃發(fā)展，使得移動電源的功能及規(guī)格要求也日漸提升，因此如何有效率的充放電也成為各家廠商發(fā)展的主流。由于切換式充電器在應(yīng)用上較線性式充電器廣泛，也具有更高轉(zhuǎn)換效率，適合高容量鋰電池的應(yīng)用。因此本文提出一個(gè)以切換式充電IC來取代線性式充電IC的移動電源方案，來提高充電電流，縮短充電時(shí)間，并使充電電路幾乎不會有過熱的問題發(fā)生。 |
