現今成就卓著的便攜式設備，諸如智能電話、PDA以及便攜式媒體播放器越來越多的應用鋰離子(Li-ION)電池。此類可充電電池的高需求量促使眾多的第三方供應商不斷開發出諸如充電座(charging cradle)及充電適配器等附件。此類充電適配器價格低廉，但充電特性及保護功能往往與原廠的OEM適配器有所差別，將會影響到總體的系統性能及可靠性。如果充電器級的(de)設計包含了以下特性，則可實現一(yi)個強(qiang)健(jian)的(de)系統，適用于(yu)所有的(de)外部AC適配(pei)器：

　　抑制(zhi)瞬變電壓尖刺的保護

　　非穩(wen)壓(ya)適配(pei)器的(de)輸(shu)出(chu)電壓(ya)特(te)性(xing)

　　散(san)熱管(guan)理及失效保護(hu)(hu)本文將探討在(zai)使(shi)用(yong)(yong)不(bu)同(tong)范圍的(de)(de)(de)AC適配器(qi)(qi)時上述(shu)參(can)數在(zai)系(xi)統(tong)層次上的(de)(de)(de)影響，并討論如何(he)使(shi)用(yong)(yong)線(xian)性化(hua)的(de)(de)(de)充電器(qi)(qi)（具有諸如過壓(ya)保護(hu)(hu)、散(san)熱調節(jie)及動態計時器(qi)(qi)的(de)(de)(de)特性）設計出更強(qiang)健的(de)(de)(de)系(xi)統(tong)。文中還引(yin)用(yong)(yong)了TI的(de)(de)(de)bq2406X系(xi)列作為(wei)(wei)線(xian)性化(hua)充電器(qi)(qi)家族的(de)(de)(de)示例(li)，展示了一(yi)系(xi)列以滿足以上要求(qiu)為(wei)(wei)目的(de)(de)(de)的(de)(de)(de)線(xian)性充電器(qi)(qi)。

　　多(duo)種(zhong)多(duo)樣的(de)AC適配器(qi)

　　當今(jin)便攜式系統設(she)計方面(mian)的(de)主要(yao)問題(ti)之一(yi)在于(yu)適(shi)(shi)應寬范圍輸(shu)入供(gong)電源(yuan)的(de)需求，例(li)如AC適(shi)(shi)配(pei)器(qi)(qi)、USB纜線或車載/空載的(de)直流(liu)輸(shu)出。將適(shi)(shi)配(pei)器(qi)(qi)以低(di)廉的(de)價格推向(xiang)市場(chang)，取代(dai)了(le)(le)原(yuan)本昂貴的(de)原(yuan)廠(OEM)適(shi)(shi)配(pei)器(qi)(qi)，從而促(cu)進(jin)了(le)(le)眾多供(gong)應商的(de)開發歷程，使可充電便攜式設(she)備(bei)獲得了(le)(le)廣泛(fan)的(de)成就。此類最流(liu)行的(de)供(gong)電源(yuan)，如交流(liu)適(shi)(shi)配(pei)器(qi)(qi)，通(tong)常可根據其特性劃分為兩部分：穩壓(ya)適(shi)(shi)配(pei)器(qi)(qi)(regulated adaptor)，典型(xing)的(de)OEM適(shi)(shi)配(pei)器(qi)(qi)；非穩壓(ya)適(shi)(shi)配(pei)器(qi)(qi)(unregulated adaptor)，典型(xing)的(de)配(pei)件供(gong)貨(huo)適(shi)(shi)配(pei)器(qi)(qi)。

　　穩壓適(shi)配(pei)(pei)器的(de)(de)(de)輸出電(dian)壓通過(guo)(guo)內置(zhi)電(dian)路提(ti)供非常優良的(de)(de)(de)線路及負(fu)(fu)載(zai)調節(jie)。而相反的(de)(de)(de)，非穩壓適(shi)配(pei)(pei)器所提(ti)供的(de)(de)(de)輸出電(dian)壓則(ze)取決于負(fu)(fu)載(zai)，線路負(fu)(fu)載(zai)調節(jie)能(neng)力不強。適(shi)配(pei)(pei)器在過(guo)(guo)電(dian)流(liu)(liu)狀態下的(de)(de)(de)行為(wei)(wei)也有所差(cha)別。穩壓適(shi)配(pei)(pei)器在進入過(guo)(guo)電(dian)流(liu)(liu)區域(yu)時通常具有更為(wei)(wei)陡峭的(de)(de)(de)過(guo)(guo)渡區(transition region)，如圖1所示。

　　圖1：穩壓及非穩壓型(xing)AC適配器的(de)特性

　　輸入瞬變及過電壓狀態

　　現今的(de)便(bian)攜(xie)式(shi)設(she)備設(she)計于通過上述類型的(de)適(shi)配器進行供電(dian)，必須整(zheng)合保護功(gong)能，以使(shi)得過電(dian)壓(ya)(ya)狀態下終端設(she)備的(de)風險最小(xiao)化。過電(dian)壓(ya)(ya)狀態可分類為兩種(zhong)模式(shi)：直流過電(dian)壓(ya)(ya)以及瞬變過電(dian)壓(ya)(ya)。

　　通常(chang)情況下，直流(liu)過電(dian)(dian)壓源于所插入(ru)的配件供貨或非標準適配器(qi)上錯(cuo)誤的輸(shu)出(chu)電(dian)(dian)壓。另一方面，瞬變過電(dian)(dian)壓則(ze)發生于終端設備熱插入(ru)適配器(qi)的瞬間(jian)。瞬變過電(dian)(dian)壓可(ke)輕(qing)易的達到2倍(bei)的正常(chang)適配器(qi)輸(shu)出(chu)電(dian)(dian)壓，如(ru)圖2所示。

　　圖2：5V、1A適配器（1uF及10uF輸入(ru)電容(rong)狀態下）的熱插入(ru)瞬(shun)變特性

　　在(zai)適當設計時，充電(dian)(dian)(dian)器(qi)級可(ke)用于將電(dian)(dian)(dian)池和系(xi)統與外部(bu)供電(dian)(dian)(dian)源隔離(li)，如圖3所示。在(zai)此(ci)類拓撲中，電(dian)(dian)(dian)池組及系(xi)統的正極(ji)終端被連接至充電(dian)(dian)(dian)級的輸出。充電(dian)(dian)(dian)器(qi)功率級有效的隔離(li)了(le)外部(bu)適配器(qi)與系(xi)統供電(dian)(dian)(dian)總線。

　　圖3：充(chong)電(dian)器(qi)級(ji)將外部供電(dian)源與(yu)電(dian)池(chi)和系統(tong)隔離

　　如圖3所示的(de)(de)拓撲(pu)可實現強健的(de)(de)設(she)計(ji)，其充電器級整合了輸(shu)入(ru)過電壓(ya)(ya)(ya)保護(hu)(OVP)功能(neng)，可監測(ce)輸(shu)入(ru)電壓(ya)(ya)(ya)并在(zai)探測(ce)到直流(liu)過電壓(ya)(ya)(ya)狀(zhuang)態時(shi)使充電器級失效(xiao)。當充電器級失效(xiao)時(shi)，系(xi)統(tong)的(de)(de)供電總線(xian)與適(shi)(shi)配器的(de)(de)輸(shu)出完(wan)全隔(ge)離。對于5V的(de)(de)穩(wen)壓(ya)(ya)(ya)適(shi)(shi)配器，輸(shu)入(ru)過電壓(ya)(ya)(ya)保護(hu)限(xian)制通常(chang)設(she)定(ding)為(wei)6.5V。bq2406X系(xi)列提供了6.5V及(ji)10.5V的(de)(de)選(xuan)項以同時(shi)適(shi)(shi)應于穩(wen)壓(ya)(ya)(ya)及(ji)非穩(wen)壓(ya)(ya)(ya)型的(de)(de)適(shi)(shi)配器。

　　為(wei)隔離并保護系統及(ji)電(dian)(dian)池免受外部電(dian)(dian)源瞬變過(guo)電(dian)(dian)壓(ya)狀態的損害，充電(dian)(dian)器級應具有(you)約2倍(bei)于一般額定(ding)適配器電(dian)(dian)壓(ya)的輸入電(dian)(dian)壓(ya)限定(ding)范圍(wei)。

　　需要注意的是，在(zai)上述所討論的拓撲中(zhong)，若最小化系(xi)統電(dian)(dian)流（例如待機(ji)[stand-by]模式(shi)下）高于結束(shu)(termination)電(dian)(dian)流限，則可能(neng)產生(sheng)潛(qian)在(zai)的鎖定(lock out)狀態。在(zai)系(xi)統電(dian)(dian)流超過結束(shu)電(dian)(dian)流限之時(shi)，終止(zhi)將(jiang)無法進行檢測。安(an)全計時(shi)器(qi)將(jiang)被激活，充(chong)電(dian)(dian)器(qi)級將(jiang)在(zai)電(dian)(dian)池充(chong)至(zhi)滿容量之前(qian)就(jiu)掉(diao)電(dian)(dian)(power down)。為解決該(gai)潛(qian)在(zai)的問題，bq2406X系(xi)列針對設備在(zai)電(dian)(dian)池充(chong)電(dian)(dian)器(qi)開啟時(shi)高功(gong)率模式(shi)，提供了失效及安(an)全計時(shi)器(qi)選項，以(yi)及充(chong)電(dian)(dian)終止(zhi)功(gong)能(neng)。

　　散熱管理及失效保護

　　線性化充電器中至(zhi)系統(tong)供電總(zong)線的(de)高輸入電壓差分將(jiang)導致芯片溫度上升，乃至(zhi)超過(guo)最大(da)結點溫度(junction temperature)值(zhi)并產生熱(re)(re)燒毀。為避免該問(wen)題(ti)，此類(lei)設計必須考慮強健(jian)的(de)散(san)熱(re)(re)管理(li)配(pei)置，同時包括了(le)熱(re)(re)關(guan)斷(thermal shutdown)及熱(re)(re)調節(thermal regulation)。

　　依照(zhao)一(yi)般的(de)(de)規則(ze)，所有(you)的(de)(de)集成充(chong)電器(qi)IC都(dou)必(bi)須具有(you)熱(re)關(guan)斷，一(yi)旦IC的(de)(de)內(nei)部結(jie)點(dian)(dian)溫(wen)度超過最大結(jie)點(dian)(dian)溫(wen)度值，熱(re)關(guan)斷將(jiang)(jiang)被(bei)觸發(fa)，以確保運轉過程(cheng)中不會產生(sheng)熱(re)燒(shao)毀(hui)。在典型的(de)(de)應(ying)用中，當充(chong)電電流1A而充(chong)電電壓高于電池(chi)電壓2-3V時，熱(re)關(guan)斷將(jiang)(jiang)被(bei)激活。激活狀(zhuang)態下，熱(re)關(guan)斷電路將(jiang)(jiang)關(guan)閉(bi)充(chong)電器(qi)功率級(ji)(ji)，以避免熱(re)燒(shao)毀(hui)。通(tong)常(chang)的(de)(de)熱(re)關(guan)斷電路都(dou)具有(you)設計(ji)上的(de)(de)滯后效應(ying)。當芯片溫(wen)度降低，功率級(ji)(ji)方可(ke)重新開啟(qi)。若芯片溫(wen)度再(zai)度上升(sheng)，熱(re)關(guan)斷電路將(jiang)(jiang)再(zai)次被(bei)觸發(fa)。其散熱(re)所維持時間(jian)可(ke)達數秒，取決(jue)于PCB的(de)(de)布(bu)板，此類工作模式在以充(chong)電狀(zhuang)態LED指(zhi)示時一(yi)般被(bei)稱(cheng)為(wei)“閃光(guang)”（"flashing"）模式。

　　為解(jie)決此類散熱(re)問題，可(ke)添(tian)加(jia)(jia)一(yi)個散熱(re)回(hui)路，以(yi)降低充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流(liu)，確保IC結點溫度低于(yu)熱(re)關(guan)斷限。如圖3所示，bq2406X系列線(xian)性(xing)化充(chong)電(dian)(dian)器(qi)添(tian)加(jia)(jia)了散熱(re)回(hui)路以(yi)支持運(yun)轉。散熱(re)回(hui)路在(zai)激(ji)活狀態下可(ke)有效的降低充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流(liu)，降低充(chong)電(dian)(dian)器(qi)級供電(dian)(dian)MOSFET的功耗。

　　圖4：散熱回路在(zai)輸入電壓瞬變情況(kuang)下的運轉

　　需(xu)要注意到，具有(you)散熱回(hui)路(lu)的(de)線性化(hua)充(chong)電(dian)(dian)器在(zai)(zai)輸入(ru)電(dian)(dian)壓過高(gao)的(de)情況下(xia)(xia)，充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流可降至非常低的(de)值。在(zai)(zai)此類(lei)狀況下(xia)(xia)，失(shi)效(xiao)終(zhong)止(false termination)可針對充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流是否降至低于結束限(xian)進行(xing)檢測。為(wei)避免此問題(ti)，bq2406X將在(zai)(zai)散熱回(hui)路(lu)激活時使終(zhong)止失(shi)效(xiao)。

　　動態計時器控制

　　充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)安全計數(shu)器(qi)用于檢測(ce)失效(xiao)狀(zhuang)態(tai)(tai)(tai)，如(ru)果充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)周期(qi)(qi)持續超過(guo)正常狀(zhuang)態(tai)(tai)(tai)下(xia)所期(qi)(qi)望的(de)總體時(shi)(shi)間(jian)，且(qie)充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)等于額定的(de)快速(su)充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)，則判斷失效(xiao)。在散熱(re)回(hui)(hui)路(lu)激(ji)(ji)活(huo)狀(zhuang)態(tai)(tai)(tai)下(xia)，充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)降低。若是(shi)散熱(re)回(hui)(hui)路(lu)在較(jiao)長的(de)一段時(shi)(shi)間(jian)內(nei)被激(ji)(ji)活(huo)，那么失效(xiao)安全計數(shu)器(qi)的(de)錯誤(wu)狀(zhuang)態(tai)(tai)(tai)即可觀察得出。為避免(mian)不期(qi)(qi)望的(de)錯誤(wu)狀(zhuang)態(tai)(tai)(tai)，bq2406X充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)器(qi)IC采用了(le)動態(tai)(tai)(tai)計時(shi)(shi)器(qi)控制(DTC)，其(qi)內(nei)置電(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)通過(guo)編(bian)程調(diao)整(zheng)計時(shi)(shi)終止(zhi)輸出的(de)時(shi)(shi)間(jian)值，降低安全計數(shu)器(qi)的(de)時(shi)(shi)鐘(zhong)效(xiao)率。DTC電(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)將(jiang)在散熱(re)回(hui)(hui)路(lu)被激(ji)(ji)活(huo)時(shi)(shi)同時(shi)(shi)啟(qi)動。

　　散熱調節功(gong)能，并結合(he)DTC電路，提供了強健(jian)的(de)散熱管(guan)理及失效保護(hu)配置，以保護(hu)充電器(qi)級和系統免遭瞬變或其它(ta)過電壓狀態所造成的(de)散熱錯誤。

　　在(zai)(zai)此所討論的(de)(de)(de)(de)(de)(de)便攜式設備在(zai)(zai)廠商之間(jian)存在(zai)(zai)著(zhu)激(ji)烈的(de)(de)(de)(de)(de)(de)競爭，且(qie)持續著(zhu)革新及差異化。隨著(zhu)便攜式設備所安置的(de)(de)(de)(de)(de)(de)使用環(huan)境越(yue)來越(yue)嚴苛--例如(ru)，在(zai)(zai)炎熱的(de)(de)(de)(de)(de)(de)夏日將電話放置在(zai)(zai)汽車內充電，或是插入了廉價的(de)(de)(de)(de)(de)(de)配(pei)(pei)件供貨或錯誤的(de)(de)(de)(de)(de)(de)適配(pei)(pei)器--終端用戶將延(yan)續其在(zai)(zai)強健性及穩定性方面(mian)對(dui)便攜式設備的(de)(de)(de)(de)(de)(de)挑(tiao)戰。一類產(chan)品(pin)(pin)(pin)與(yu)其它產(chan)品(pin)(pin)(pin)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)主要區別體現在(zai)(zai)當出(chu)現上述不期望的(de)(de)(de)(de)(de)(de)狀態時，設備的(de)(de)(de)(de)(de)(de)穩定性、可靠性以(yi)及強健性。系(xi)統(tong)設計工程師的(de)(de)(de)(de)(de)(de)職責即在(zai)(zai)于將此類因素納入考慮，以(yi)確(que)保其產(chan)品(pin)(pin)(pin)更智能、更強且(qie)更健壯，以(yi)使其產(chan)品(pin)(pin)(pin)在(zai)(zai)為數眾(zhong)多的(de)(de)(de)(de)(de)(de)產(chan)品(pin)(pin)(pin)中獨樹一幟(zhi)(as "The" one)，而不是“泯然(ran)眾(zhong)人(ren)矣”(as "A" one)。