安森美半導體新系列開關電池充電方案應對可攜式裝置充電挑戰
近年來，智慧型手機、平板電腦等可攜式裝置市場強勁發展，更大尺寸的螢幕日漸流行，消費者對應用處理器、繪圖處理器及周邊的電源管理體驗的要求越來越高。這些促使可攜式裝置採用更大容量的電池，如一些最新智慧型手機配備了2000 mAh甚至達3000 mAh電池，電池生態系統趨勢也隨之發生了重大變化。此外，許多可攜式裝置的輸入連接也從專有方案轉為微型USB接口；USB供電(rev 1.0 Jul 2012) 標準的發佈，更能適應最新的可攜式裝置USB埠的供電要求。這些都迫切需要既可提高能效又滿足上述要求的技術解決方案。推動高能效創新的安森美半導體新推出了NCP185x系列開關電池充電方案，幫助設計工程師應對可攜式裝置大容量電池的快速充電挑戰，並幫助最佳化使用者體驗。
採用新穎的自動輸入限流器(AICL)技術實現更快速充電電池充放電管理在可攜式裝置設計的合理性和可靠性方面至關重要。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間來滿足當今高性能、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縮短充電時間。
傳統線性電池充電方式(包括脈波方式)在大電流下存在效率較低、發熱量大等問題。與線性解決方案相比，開關充電方案有明顯的優勢，如可從輸入轉換更多的電能至輸出；工作能效更高，可降低能耗及簡化手機設計；在輸入源受限時(如採用5 V，500 mA USB埠充電)，能提供更大的電流。綜合上述優勢，開關電池充電器件的充電速度可比線性電池充電器快30%。
由於手機等裝置無法知道使用者使用的電源適配器或USB埠的負載電流能力，所以充電管理元件必須具有檢測適配器或USB埠負載電流的功能，以確保手機裝置在安全電流條件下工作。在充電結束後，充電管理器件應斷開與系統的連接，系統從外部電源取電；只有當外部電源移出時，系統才從電池取電。
安森美半導體的NCP185x系列開關電池充電器件就是一種新的充電技術。其充電過程迅速，具有自動輸入限流(AICL)功能；在充電結束時還可自動斷開電池連接，延長電池壽命。它可以提供更大的輸出電流，效率高達85％，發熱量小，實現更快、更安全高效的充電，有助於提升使用者體驗；還可以提高系統穩定性，簡化系統設計。
NCP185x系列在輸入源受限的情況下，採用符合100 mA、500 mA、900 mA或1.5 A USB充電規範的輸入電流限制器，利用自動檢測模式在最大充電電流時進行調整，使其適應輸入源的能力，並可縮短最少達10分鐘的總體充電時間。
圖1：利用自動輸入限流縮短總體充電時間
充電結束時自動斷開電池連接，延長電池使用壽命不少使用者經常抱怨電池壽命短，許多可攜式系統的電池壽命在使用幾個月後就受到明顯影響，原因是電池在充電結束後還一直在充電。最佳化電池總體壽命的方法是在充電結束時電池連接即自動斷開。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自動斷開電池連接，系統僅從外部帶有適配器或USB埠取電，僅在出現峰值電流活動(大於外部電源適配器所能提供的電流，如使用GSM)時，才導通電池與系統之間連接，短時間從系統補充電流，其他時間電池與系統保持管理。在外部電源連接情況下，系統優先從外部適配器取電，以保存電池電量，延長電池使用時間，如圖2所示。
圖2：充電結束時自動斷開電池連接 如果使用不帶充放電路徑管理的器件，充電結束後，充電模組關閉，系統開始從電池取電，電池電壓隨之降低，一旦電壓降低到一個門限值，充電週期重新開始，使電池經常處於充放電、再充電迴圈之中，容易造成電池過早老化。
即時導通技術改善使用者體驗電池充電的另一個挑戰是需要改善使用者體驗。使用者時常有這樣的疑問：為什麼電池電量低時我要充電5分鐘後系統才能導通系統？這是因為當使用者連接可攜式裝置充電的同時，通常也需要使用裝置。令人尷尬的是，即使是最新型裝置也要求約5分鐘的初始充電，然後才允許系統啟動及使用。如果採用雙路徑管理(DPM)技術，即可在插入充電線纜時立即導通可攜式裝置。
NCP185x系列就應用了這樣的即時導通系統技術，由於器件內整合的電流源可為電池充電，即使電池電壓非常低，當使用者插入電源適配器時，也可使系統電壓保持在3.6V，讓系統立即開啟，無需等待；另外，內部整合的一個5 V升壓器支持USB On-The-Go(OTG)反向供電，或用於HDMI介面的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，電池需要預充電一段時間，等待電池電壓恢復到最低電壓以上才能開機。
圖3：插入充電線纜時即時導通可攜式裝置 安森美半導體的元件還支援死電池啟動。當電池電壓低於2.2 V時，開關充電器件提供10 mA小電流啟動電池。此時系統仍可立即開機。
支援USB OTG附件對於平板電腦來說，通常需要支援USB OTG功能。USB OTG附件要求可攜式裝置在USB交易處理中充當USB主機，在VBUS線路上提供5 V輸出電壓，供外設使用；一些智慧型手機帶有HDMI輸出介面，也需要一個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系列器件整合了一個5 V升壓器，能支援USB OTG附件或HDMI輸出介面，最大提供500 mA電流，並省去了一個外部升壓轉換器。
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提供5 V、500 mA輸出，不僅可以支援USB OTG功能，還可以為物料單(BOM)節省1顆額外電感。
圖4：支援USB OTG功能 多管齊下保證裝置的安全性另一個電池充電的挑戰是要保證裝置安全性不受影響。NCP185x系列採用了多種安全措施來實現這一目標，包括正向及負向嵌入式過壓保護(OVP)、內部結溫感測器及管理，以及外部電池負溫度係數(NTC)及JEITA管理，而且可提供事件報告機制，將插入、過壓、過熱、過冷、充電週期狀態、充電開始、充電完成等報告給CPU進行相應處理。
獨特的正向及負向過壓保護可防止新可攜式裝置受到過壓的損壞。線纜及充電器都是一般商品，在廉價的零配件市場就可以買到，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)、電腦USB埠(通常12 V-20 V)、小汽車車載套件(典型值12 V)或卡車(典型值24 V)，因此只有強固的正向28 V過壓保護才可以保護裝置的安全，且在上述所有應用場景下都提供足夠的裕量。NCP185x系列可提供+28 V過壓保護，可防止充電器故障或熱插拔時過高的浪湧電壓損壞開關充電元件；此外還有一種情況，在出現接口/連接器故障時，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個溫度區(根據JEITA規範)：冷＜+5℃，不充電；正常溫度+5℃至+45℃，滿額充電；熱＞45℃，降低充電電流；燙＞65℃，不充電，從而確保電池充電過程不會過熱、起火和爆炸。電池溫度監測功能是完全可軟體程式設計的。
圖5：4個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接腳，以便中斷充電；應用處理器可以通過I2C啟動充電控制及充電週期，且配合報告充電事件。
寬廣陣容的NCP185x系列應對不同需求安森美半導體提供豐富的開關電池充電器件產品陣容來應對可攜式裝置的充電挑戰。NCP185x系列目前包括的NCP1850、NCP1851和NCP1852三款產品都可以滿足這一要求，並又各有特色。今後，這系列產品還將增加更多產品，支援更大充電電流，配合使用者的更廣泛需求。
圖6：安森美半導體NCP185x系列開關電池充電器產品架構
其中，NCP1851是一款低高度、1.6 A、極具創新的開關電池充電器，允許使用功率有限的電源，如標準牆壁充電器和USB；NCP1852是首款帶+28V/-20V OVP的1.8A SBC，允許使用高功率牆壁充電器和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牆充電器和USB等功率有限的電源。
以NCP1851為例，它是一款完全可程式設計的鋰離子開關電池充電元件，可大幅縮短充電時間，延長電池使用時間，並增添了先進的啟動功能。該器件整合了動態電源路徑管理功能，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。該器件的內部結溫感測器，以及外部負溫度係數熱敏電阻通過將專用中斷傳達給I2C控制匯流排來確保系統安全充電。NCP1851提供USB OTG模式，無需另一個升壓轉換器，即可將電源配件插入USB埠。NCP1851提供1.6 A充電能力，尺寸僅為2.2×2.55 mm，用於符合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週期。
NCP1851與NCP185x系列的其他產品一樣，比競爭產品有更高的過壓保護能力、更大的充電電流，以及更大的USB OTG反向輸入電流能力，支援態路徑管理及電池啟動功能。這些新元件所具有的快速充電時間性能及先進的功能組合，能以單晶片方案簡單地融入到最新USB充電設計中，為提升智慧型手機、平板電腦及其它手持裝置(包括可攜式醫療產品)的能效，實現這些產品的更高整合度、小型化、易用性、可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關電池充電器件贏得了更多主要客戶的青睞和採用。
總結：智慧型手機及平板電腦等可攜式裝置越來越趨向採用更大容量的電池以配合大螢幕背光及多核心處理器工作對電池電量的更高需求。與此同時，使用者需要快速的充電時間，且可能在充電時使用裝置，還期望延長電池使用壽命及支援USB OTG附件等。安森美半導體的NCP185x系列大電流開關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，最佳化使用者體驗，幫助設計人員開發出更具競爭力的可攜式產品。
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