電池充電基礎(chǔ)知識(shí)

　　鋰離子充電器IC是調(diào)節(jié)電池充電電流與電壓的設(shè)備，常用于便攜式設(shè)備，如手機(jī)、筆記本電腦和平板電腦等。與其他化學(xué)成分的電池相比，鋰離子電池是能量密度最高的電池之一，其單節(jié)電池提供的電壓更高，承受的電流也更大，而且在電池滿電時(shí)無需涓流充電。不過，鋰離子電池沒有記憶效應(yīng)，這意味著它不會(huì)“記住”在電量完全耗盡之前剩余的電量。鋰離子電池必須采用特殊的恒流恒壓 (CC-CV) 充電曲線進(jìn)行充電，充電曲線可根據(jù)電池溫度和電壓水平自動(dòng)調(diào)整。

　　充電曲線

　　充電曲線是鋰離子電池的一項(xiàng)基本特性，它描述了電池充電時(shí)，電池的電壓和電流如何變化。為簡化起見，充電曲線可以通過一個(gè)坐標(biāo)圖來表達(dá)，其X 軸表示時(shí)間，Y 軸表示電池電壓或電池電量。通過該曲線可以洞見電池的安全特性，并了解如何優(yōu)化電池充電。MP2759A是MPS提供的一款高集成度開關(guān)充電器IC，專為 1 至 6 節(jié)串聯(lián)鋰離子或鋰聚合物電池應(yīng)用而設(shè)計(jì)。圖 1 所示為 MP2759A 的充電曲線。

　　圖1: MP2759A的充電曲線

　　鋰離子電池遵循相對(duì)常見的充電曲線，下面將進(jìn)行詳細(xì)的描述。需要注意，如果充電器 IC 提供可配置功能，設(shè)計(jì)人員將能夠?yàn)檫@些充電階段設(shè)置自己的閾值。由于大多數(shù)電池制造商只為不同的最大充電電流水平設(shè)定同一閾值，因此閾值可配置功能非常有用?？膳渲玫拈撝的軌蛱峁┮粚宇~外的安全保護(hù)，保護(hù)電池免受過壓、過熱條件以及過載的影響，從而避免電池的永久損壞或容量降級(jí)。

　　1.涓流充電：涓流充電階段通常只在電池電壓低于一個(gè)極低水平(約2.1V)時(shí)采用。在這種狀態(tài)下，電池組的內(nèi)部保護(hù) IC 可能由于深度放電或發(fā)生過流事件已經(jīng)斷開了電池。充電器 IC 提供一個(gè)小電流(通常為 50mA)為電池組的電容充電，以觸發(fā)保護(hù) IC ，合上其 FET重新連接電池。雖然涓流充電通常只持續(xù)幾秒鐘，但充電器 IC 仍然需要集成一個(gè)定時(shí)器。如果電池組在一定時(shí)間內(nèi)未重新連接，則定時(shí)器停止充電，因?yàn)檫@表明電池已損壞。

　　2.預(yù)充電：一旦電池組重新連接或處于放電狀態(tài)，就進(jìn)入預(yù)充電階段。預(yù)充電期間，充電器IC開始以一個(gè)較低的電流水平為耗盡的電池安全充電，該電流通常為 C / 10(C 為容量，以 mAh 為單位)。預(yù)充電使電池電壓緩慢上升。其目的是在低電流水平下對(duì)電池進(jìn)行安全的充電，以防止損壞電池，直到其電壓達(dá)到一個(gè)較高的水平。

　　3.恒流(CC)充電: 恒流(CC)充電也被稱作快速充電階段，下文將對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)介紹。恒流充電在預(yù)充電之后開始，一旦電池電壓達(dá)到每節(jié)3V 左右即開始恒流充電。在恒流充電階段，電池可以安全地處理 0.5C 至3C 之間的較高充電電流。恒流充電會(huì)持續(xù)到電池電壓達(dá)到“滿電”或浮動(dòng)電壓水平，然后進(jìn)入恒壓充電階段。

　　4.恒壓(CV)充電: 鋰電池的恒壓(CV)閾值通常為每節(jié)4.1V至4.5V。充電器 IC 會(huì)在恒流充電期間監(jiān)測(cè)電池電壓。一旦電池達(dá)到恒壓充電閾值，充電器IC就會(huì)從恒流轉(zhuǎn)換至恒壓調(diào)節(jié)階段。當(dāng)充電器 IC 監(jiān)測(cè)到外部電池組電壓超過了電池組中的實(shí)際電池電壓，就開始執(zhí)行恒壓充電。這是由于存在內(nèi)部電池電阻、PCB 電阻和來自保護(hù) FET 和單電池的等效串聯(lián)電阻 (ESR)。充電器 IC 不應(yīng)允許電池電壓超過其最大浮動(dòng)電壓，以保證安全的運(yùn)行。

　　5.充電截止: 當(dāng)恒壓充電階段，當(dāng)流入電池的電流降至設(shè)定閾值(約為 C / 10)以下時(shí)，充電器 IC即終止充電周期。此時(shí)，電池被認(rèn)為已充滿電，充電完成。如果充電器 IC 的充電截止功能被禁用，充電電流會(huì)自然衰減至 0mA，但實(shí)際中很少這樣做。因?yàn)樵诤銐撼潆娖陂g，進(jìn)入電池的電荷量呈指數(shù)級(jí)下降(因?yàn)殡姵仉妷旱脑龃缶腿缤粋€(gè)大電容器)，在容量增加極少的情況下，為電池充電需要非常長的時(shí)間。

　　任一時(shí)刻的實(shí)際充電電流都可能低于設(shè)置值，其原因包括各種環(huán)路調(diào)節(jié)，例如輸入電流限制、輸入電壓限制、散熱調(diào)節(jié)或電池溫度。有關(guān)電池安全的更多信息，請(qǐng)參閱下文中的安全部分。

　　快速充電

　　談到快速充電，最關(guān)鍵是根據(jù)電池制造商的規(guī)格確定電池可以處理的電流。舉例來說，電池的“C 率”指定了電池充放電的最大電流。標(biāo)準(zhǔn)C 率通常在 0.5C 到3C 之間，具體取決于所用的具體電池，通常需要在較高C 率和較低能量密度之間進(jìn)行權(quán)衡。例如，一塊 3000mAh 的電池，C 率為 1C，意味著電池能夠以最大 3A 的電流充電。通常，電池制造商還會(huì)為 C 率指定不同的電壓和溫度范圍，在電壓較低或溫度較高/較低的條件下，C率會(huì)降低。

　　如果一塊電池具有較高的 C率，那它就可以處理更多的電流，也就可以更快地充電。例如，相比無線揚(yáng)聲器，較高 C 率的電池對(duì)智能手機(jī)和筆記本電腦等便攜式設(shè)備來說更加有用，因?yàn)檫@些便攜式設(shè)備可能需要每天至少充電一次。通常對(duì)運(yùn)行時(shí)間較短且需要持續(xù)使用的設(shè)備來說，快充肯定是首選。了解電池的 C 率可以幫助設(shè)計(jì)人員確定如何優(yōu)化其解決方案，使他們能夠選擇最適合其電池的充電器IC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和安全功能。

　　恒流 (CC) 充電階段(也稱為快充階段)通常取決于電池的電壓閾值。MP2731更是獨(dú)樹一幟，將其快充階段定義為電池電壓超過預(yù)充電閾值且小于其恒壓充電閾值的時(shí)間間隔。在第一個(gè)快充階段，電池 FET 以快充電流為電池充電。一旦電池電壓超過新閾值，則認(rèn)為電池 FET 完全導(dǎo)通。

　　如何選擇恰當(dāng)?shù)某潆娖鱅C

　　在選擇合適的電池充電器IC系統(tǒng)時(shí)，最重要的考量參數(shù)包括：電池組中串聯(lián)的電池?cái)?shù)量、輸入電壓 (VIN) 范圍、充電電流和系統(tǒng)電源路徑管理。這些參數(shù)決定了充電電路(開關(guān)或線性)所需的電源轉(zhuǎn)換類型，以及為系統(tǒng)電壓軌供電所需的附加功能，例如窄電壓直流 (NVDC) 電源路徑管理。這些因素直接決定充電器IC拓?fù)涞倪x擇。簡而言之，充電器IC拓?fù)溆梢韵禄緟?shù)確定：

　　1.對(duì)5V輸入、充電電流小于或等于500mA的單節(jié)電池組而言，線性充電器IC較適合。單節(jié)電池組的最大電壓通常在 4.2V 到 4.5V 之間。需要注意，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和散熱性能的不同，線性充電器IC的最大電流可能高于或低于預(yù)期值。

　　2.如果充電電流超過500mA，建議使用開關(guān)充電器IC。這種充電器IC也常用于電壓大于或等于 5V 的 USB 應(yīng)用。根據(jù) VIN 和最大電池電壓(VBATT)，通常有三種開關(guān)充電器IC拓?fù)淇蛇x。如果 VIN 低于最大 VBATT，選擇升壓充電器IC;如果 VIN 大于或等于 VBATT，選擇降壓充電器IC;如果 VIN大于、小于或等于 VBATT，則選擇升降壓充電器IC。下文將對(duì)這些拓?fù)浣o出更詳細(xì)地描述。

　　電池組電池配置

　　就電池配置而言，根據(jù)電池組內(nèi)物理串聯(lián)放置的電池?cái)?shù)量，以及充電器IC的輸出電壓 (VOUT)范圍，電池充電器IC分為單節(jié)或多節(jié)電池充電器IC兩種類型。

　　單電池具有較低的功率輸出和較小尺寸，通常最大放電電流在 1C 到 3C 之間(例如 1Ah = 1A ～3A)。這意味著單電池充電器IC通常適用于較小的移動(dòng)設(shè)備，例如手機(jī)、手表和耳機(jī)。而多個(gè)堆疊的電池則可以提供較大功率，通常用于需要更多功率的大型系統(tǒng)，例如筆記本電腦、揚(yáng)聲器、移動(dòng)電源和無人機(jī)。不過，電池組內(nèi)并聯(lián)的電池?cái)?shù)量通常不會(huì)影響充電器 IC 的選擇，因?yàn)椴⒙?lián)不影響電壓。

　　輸入電壓 (VIN)范圍

　　消費(fèi)電子產(chǎn)品大多通過 USB 端口供電，該端口至少也要支持 5V電壓。隨著 USB 標(biāo)準(zhǔn)逐步演變?yōu)橹С?USB 供電 (PD)的新型 USB Type-C 連接器，最大允許電壓也增至20V。根據(jù) USB PD 規(guī)范的擴(kuò)展功率范圍 (EPR) ，該電壓還將進(jìn)一步上升至 48V。從充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度來看，充電器 IC支持的VIN范圍和功率必須在充電的同時(shí)為下游電源軌供電。如果系統(tǒng)所需的總功率低于 15W，則可以使用 5V 標(biāo)準(zhǔn) USB Type-C;如果總功率超過 15W，使用USB 連接器時(shí)還必須采用具有更高 VIN和 USB PD 的解決方案。

　　對(duì) USB 應(yīng)用來說，充電器 IC 必須向后兼容 5V電壓。采用多于1 個(gè)電池串聯(lián)的電池組會(huì)增加充電器IC的成本和復(fù)雜性，因?yàn)槠渫負(fù)浔仨氈С謱捿斎腚妷悍秶?例如升降壓拓?fù)?。如果采用非 USB 連接器(即筒形插孔連接器)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員通?？梢宰杂蛇x擇VIN，而無需考慮對(duì)其他電壓電平的支持。對(duì)設(shè)計(jì)而言，這樣更簡單、性價(jià)比更高，但對(duì)最終用戶來說，可能帶來不便，因?yàn)樗麑⒉坏貌恍枰粋€(gè)只能兼容一個(gè)產(chǎn)品的特殊壁式充電器。

　　充電電流

　　設(shè)計(jì)人員還需要考量充電電流及其對(duì)充電器IC拓?fù)溥x擇的影響。如果充電電流小于或等于 500mA，使用線性充電器可以降低成本和尺寸。但對(duì)更高電流，則建議使用開關(guān)充電器，因?yàn)榭梢越档凸牟⑻岣咝?不過，與線性充電器相比，開關(guān)充電器需要一個(gè)電感，因而會(huì)占用額外的電路板空間。

　　舉例來說，通過1A、5V USB 輸入充電，不建議使用線性充電器。如果使用線性充電器，在快充階段開始，電池電壓為 3V 時(shí)，充電器IC有2V的壓降，會(huì)導(dǎo)致2W 的功耗產(chǎn)生。線性充電器僅適用于充電電流較低的小型電池，而開關(guān)充電器則適合處理更高的充電電流。

　　系統(tǒng)電源路徑管理 (PPM)

　　電源路徑管理 (PPM) 功能可以根據(jù)輸入源電流能力和系統(tǒng)負(fù)載的電流要求對(duì)電池充電電流進(jìn)行調(diào)整。它幫助系統(tǒng)微控制器 (MCU) 或片上系統(tǒng) (SoC)獲得足夠的電力，同時(shí)還能夠利用多余電流為電池充電。常見的電源路徑管理選項(xiàng)如下文所述。

　　沒有電源路徑管理的簡單充電器IC(電池直接供電)

　　沒有電源路徑管理的簡單充電器IC，其電池直接連接至系統(tǒng)，充電器IC只有一個(gè)輸出，即電池。在這種情況下，必須先將電池充電至最低系統(tǒng)電壓，然后產(chǎn)品才能開機(jī)。如果電池已經(jīng)深度放電，則可能還需要額外的充電時(shí)間，對(duì)于在充電時(shí)可以使用的產(chǎn)品應(yīng)用中，用戶體驗(yàn)將欠佳。對(duì)于沒有電源路徑管理的簡單充電器而言，其優(yōu)勢(shì)在于簡單和較低的BOM 成本。

　　MP26029即為一款具有溫度調(diào)節(jié)功能的單節(jié)鋰離子/鋰聚合物電池充電器 IC(參見圖 2)。其片上充電 MOSFET 作為全功能線性充電器IC工作，具有預(yù)充電、恒流 (CC) 充電、恒壓 (CV) 充電、充電截止和自動(dòng)再充功能。內(nèi)部偏置電路由 IN 或 BATT 引腳中較高的電壓供電。MP26029 還提供一個(gè) ISET 引腳來啟用或禁用充電，同時(shí)提供一個(gè)狀態(tài)指示引腳，以報(bào)告器件正在充電、充電完成或充電暫停等狀態(tài)。

　　圖 2：具有5V 輸入的 MP26029 典型應(yīng)用電路

　　OR選項(xiàng)電源路徑管理(旁路模式)

　　對(duì)于OR選項(xiàng)電源路徑管理(也稱為旁路模式或直通法)，由外部開關(guān)管理電池充電和系統(tǒng)路徑。這種方法優(yōu)化了儲(chǔ)能容量，并能在電池故障時(shí)提供保護(hù)功能。OR選項(xiàng)電源路徑管理遵循兩個(gè)基本原則：

　　VIN存在時(shí)，VIN直接連接至系統(tǒng)

　　沒有VIN時(shí)，VBATT直接連接至系統(tǒng)

　　采用OR選項(xiàng)，電源路徑管理系統(tǒng)必須能夠承受 VIN。同時(shí)，系統(tǒng)電壓(VSYS) 不會(huì)被調(diào)節(jié)。另外，在這種拓?fù)渲校捎趦蓚€(gè)電源軌是分開的，電池不能通過額外的電流來補(bǔ)充系統(tǒng)電源。但采用窄電壓直流(NVDC) 電源路徑架構(gòu)可以緩解此問題，具體詳述如下。

　　MP2759是一款具有 OR選項(xiàng)的電源路徑管理的鋰離子/鋰聚合物電池充電器IC，適用于1 至 6 節(jié)的串聯(lián)電池，并支持具有不同電池調(diào)節(jié)電壓的多種電池化學(xué)類型。MP2759 采用 QFN-19 (3mmx3mm) 封裝，能夠根據(jù)電池的電壓和電流在四個(gè)充電階段之間切換，包括涓流充電、預(yù)充電、恒流充電和恒壓充電。在電池耗盡時(shí)，該器件可以通過“或”選擇電源路徑為系統(tǒng)供電，同時(shí)提供保護(hù)功能，如使用 JEITA 配置文件提供電池溫度監(jiān)測(cè)，以及電池過壓保護(hù) (OVP)。

　　MP2759的外部 P 溝道電池 MOSFET 支持OR選項(xiàng)電源路徑管理。其電池 FET 的柵極由 IN 引腳信號(hào)驅(qū)動(dòng)。沒有輸入源時(shí)，電池 FET 將電池連接到系統(tǒng);接入輸入源時(shí)，電池 FET 關(guān)端，輸入源通過不同的 MOSFET (Q1) 為系統(tǒng)供電。此外，輸入電流限制功能可以通過降低充電電流來防止輸入源過載(參見圖 3)。

　　圖3: OR選項(xiàng)電源路徑管理

　　窄電壓直流(NVDC)電源路徑管理

　　窄電壓直流 (NVDC) 電源路徑管理是一種常見的方法，它具備的多種優(yōu)勢(shì)如下所述：

　　即使電池電壓很低，系統(tǒng)也可以即時(shí)開機(jī)

　　系統(tǒng)電壓追蹤電池電壓，從而可降低充電產(chǎn)生的熱量;而且由于無需承受外部 VIN，因而支持較低電壓的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　輸入電量不足時(shí)，電池可補(bǔ)充系統(tǒng)

　　系統(tǒng)可以與電池完全斷開，以適應(yīng)運(yùn)輸模式、過流保護(hù) (OCP) 或欠壓保護(hù) (UVP) 等情況

　　具備NVDC，充電器IC可以提供兩個(gè)獨(dú)立的輸出(分別來自系統(tǒng)與電池)，從而允許充電器IC將系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)至高于電池電壓。NVDC 還提供運(yùn)輸模式選項(xiàng)。在運(yùn)輸模式下，當(dāng)沒有 VIN時(shí)，可以禁用位于電池和系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)之間的內(nèi)部電池 FET，從而將電池與系統(tǒng)輸出完全斷開。該功能有效消除了產(chǎn)品未售出時(shí)產(chǎn)生的系統(tǒng)電流消耗，從而延長了電池使用時(shí)間。

　　MP2733是一款高度集成的開關(guān)模式電池充電器IC，適用于單節(jié)鋰離子和鋰聚合物電池應(yīng)用。該器件提供 NVDC 電源路徑管理，非常適合平板電腦、無線攝像頭、智能手機(jī)和便攜式設(shè)備。NVDC功能可以分別控制系統(tǒng)和電池，并在啟動(dòng)時(shí)給予系統(tǒng)優(yōu)先權(quán)，當(dāng)電池缺失或深度放電時(shí)，系統(tǒng)也能啟動(dòng)。如果輸入電源在電池耗盡的情況下也可用，則系統(tǒng)電壓將被調(diào)節(jié)至其可調(diào)最小值(VSYS_REG_MIN)。NVDC 架構(gòu)由前端降壓 DC/DC 變換器和置于 SYS 和 BATT 引腳之間的電池 FET 提供支持。圖 4 顯示了MP2733的 NVDC 結(jié)構(gòu)。

　　圖4: NVDC電源路徑管理架構(gòu)

　　NVDC 架構(gòu)通過以下方式調(diào)節(jié)電壓：

　　1.如果 VBATT 降至 VSYS_MIN 以下，系統(tǒng)電壓將調(diào)節(jié)至 VSYS_REG_MIN。同時(shí)，電池 FET 工作于線性模式，根據(jù) VBATT為電池充電。另外，VSYS_MIN 可通過 I2C 接口設(shè)置。

　　2.如果 VBATT 超過 VSYS_MIN + VBATT_GRD(約 60mV)，則電池 FET 完全導(dǎo)通。電池之間的壓差即為電池 FET 的 VDS，充電電流環(huán)路由變換器的 PWM 控制實(shí)現(xiàn)。

　　3.如果充電暫?；蛲瓿?，系統(tǒng)電壓將被調(diào)節(jié)至最大值(見圖 5)。

　　除了上述特性以外，MP2733 的 NVDC 架構(gòu)還支持運(yùn)輸模式。

　　圖5:VSYS 隨 VBATT 的變化曲線

　　充電器IC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　充電器IC拓?fù)渲饕袃煞N類型：線性充電器IC和開關(guān)充電器IC，后者可進(jìn)一步分為升壓、降壓和升降壓充電器IC(參見圖 6)。下面將詳細(xì)介紹這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

　　圖6: 充電器IC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　線性充電器IC

　　線性充電器IC通常體積小、簡單而且性價(jià)比高。這類充電器IC由于沒有開關(guān)所以噪聲較低;但受封裝尺寸的限制，較高的充電電流會(huì)產(chǎn)生較高功耗。因此，線性充電器因其小體積而非常適合便攜式物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設(shè)備，如健身器材配件、智能手表和藍(lán)牙耳機(jī)等。

　　MP2662為一款高度集成的線性鋰離子/鋰聚合物電池充電器IC，它具有適用于便攜式應(yīng)用的電源路徑管理功能。該器件采用超小尺寸的 WLCSP-9 (1.75mmx1.75mm) 封裝，它通過 AC 適配器或 USB 端口實(shí)現(xiàn)靈活供電，而且器件可以自主確定由輸入、電池、 或兩者同時(shí)供電。MP2662的電源路徑管理將充電電流與系統(tǒng)負(fù)載分開，以提供充電截止功能并確保電池保持在滿電模式。其集成 I2C 接口可以提供器件配置以實(shí)現(xiàn)各種安全功能，包括電池欠壓鎖定 (UVLO)保護(hù)、輸入限流、最小輸入電壓調(diào)節(jié)、充電電流、電池調(diào)節(jié)電壓和安全定時(shí)器。

　　開關(guān)充電器IC

　　在中、大電流下，開關(guān)充電器IC比線性充電器IC更高效，并且在寬輸入電壓 (VIN) 范圍內(nèi)具有更高的適應(yīng)性。不過，開關(guān)充電器IC還需要一個(gè)電感器和更多的電容器，這會(huì)增加成本、復(fù)雜性并占用更多的 PCB 空間。對(duì)具有較大電池的應(yīng)用，或需要更高效率以實(shí)現(xiàn)快充功能的應(yīng)用，建議選擇開關(guān)充電器IC。這類充電器IC是高密度系統(tǒng)的理想之選，例如智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦、移動(dòng)電源和揚(yáng)聲器。開關(guān)充電器IC主要有三種不同類型：降壓(buck/step-down)、升壓(boost/step-up)和升降壓(buck-boost)，升降壓充電器IC可以將輸出調(diào)節(jié)至高于或低于輸入電壓。在選擇開關(guān)充電器IC時(shí)，需要考慮以下兩個(gè)問題：

　　1.VIN范圍是多少?(例如，它是用于 5V USB 應(yīng)用還是 USB PD 應(yīng)用)

　　2.電池組電壓范圍是多少?(這取決于電池組中串聯(lián)的電池?cái)?shù)量)

　　一旦確定了這些問題，就可以輕松確定開關(guān)充電器IC拓?fù)?。通常，開關(guān)充電器IC用于充電電流高于 500mA 的應(yīng)用。

　　開關(guān)充電器IC的具體類型(降壓、升壓和升降壓)詳述如下。

　　降壓充電器IC

　　降壓充電器IC適用于最小輸入電壓始終超過最大電池電壓 (VBATT)的應(yīng)用，例如單電池 5V USB。即使所需的最大充電功率超過 5V USB Type-C 提供的 15W(例如大多數(shù)智能手機(jī))，也仍然可以使用降壓充電器IC，只要它能夠處理 USB PD 支持的更高 VIN 工作電壓和功率。

　　MP2721是一款降壓充電器IC，它提供低阻抗電源路徑，可以提升充電效率、縮短電池充電時(shí)間并延長電池壽命。該器件支持 USB 電池充電規(guī)范 1.2 (BC1.2) 標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)適配器檢測(cè)。MP2721還提供I2C 接口以實(shí)現(xiàn)參數(shù)配置，例如輸出電壓(VOUT)、開關(guān)頻率(fSW)、充電電流、輸入電流限制、安全定時(shí)器和芯片溫度調(diào)節(jié)等。

　　升壓充電器IC

　　升壓充電器IC適用于 VIN 低于最大 VBATT 的應(yīng)用，如帶2 節(jié)電池的 5V USB。這種類型的充電器IC僅適用于功率要求小于或等于15W 的應(yīng)用，如需更高功率，則需要采用升降壓充電器IC。將升壓充電器IC用于功率需求較低的多節(jié)電池應(yīng)用，可以避免采用 USB PD 控制器等額外組件，從而節(jié)省成本。

　　MP2672A是一款靈活的開關(guān)模式升壓充電器 IC，適用于兩節(jié)串聯(lián)的鋰離子電池，非常適合便攜式應(yīng)用，例如銷售點(diǎn) (PoS) 系統(tǒng)、云臺(tái)和藍(lán)牙揚(yáng)聲器。這類充電器IC具有電池平衡功能，它可以監(jiān)測(cè)每個(gè)電池的電壓，并在超過失配閾值時(shí)均衡電壓。此外，MP2672A具備兩種配置模式：獨(dú)立模式和主機(jī)控制模式。主機(jī)控制模式可以通過I2C接口配置充電參數(shù)，而獨(dú)立模式則通過連接在CV 和 ISET 引腳上的電阻來調(diào)整特定參數(shù)。MP2672A提供的保護(hù)功能包括電池過壓保護(hù) (OVP)、安全定時(shí)器、監(jiān)控器定時(shí)器、電池缺失檢測(cè)和溫度調(diào)節(jié)。

　　升降壓充電器IC

　　采用升降壓拓?fù)涞某潆娖鱅C允許 VBATT高于、低于或等于器件的 VIN，這意味著電池可以通過任何電源電壓持續(xù)充電，直至達(dá)到其目標(biāo)電壓。這樣，快充在更加廣泛的條件下成為可能，盡管它確實(shí)需要更大的充電器 IC 封裝尺寸。通常，如果接入輸入電源，升降壓充電器IC可以工作于三種工作模式：升壓模式、降壓模式和升降壓模式。升壓模式下的VIN 低于VBATT，降壓模式下的VIN 高于 VBATT，而升降壓模式下的VIN 與 VBATT幾乎相等。升降壓充電器IC能夠在整個(gè) PD 電壓范圍內(nèi)提供高功率，同時(shí)還向后兼容 5V 傳統(tǒng) USB。這類充電器IC最常用于多節(jié)電池串聯(lián)的 USB PD 應(yīng)用，例如筆記本電腦、智能手機(jī)和移動(dòng)電源。

　　MP2760是一款經(jīng)過優(yōu)化的升降壓充電器IC，采用 TQFN-30 (4mmx5mm) 封裝。它具有窄電壓直流 (NVDC) 電源路徑管理和USB On-The-Go (OTG) 或 USB PD 電源模式。在USB PD 電源模式下，USB 設(shè)備(例如移動(dòng)電源)可充當(dāng)電源，為其他 USB 設(shè)備(例如智能手機(jī))充電。

　　MP2760專為 1 至 4 節(jié)串聯(lián)電池組應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它具有四個(gè)開關(guān) FET，并集成了兩個(gè)用于輸入電壓直通和 NVDC 控制的 N 溝道 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器。其安全功能包括電池過溫保護(hù) (OTP)、系統(tǒng)和電池過壓保護(hù)(OVP)及欠壓保護(hù) (UVP)、電池缺失檢測(cè)和短路保護(hù) (SCP)。

　　USB ON-THE-GO (OTG) 或稱放電(Source)模式

　　USB On-The-Go (OTG)也稱為 USB Type-C 放電模式，它并不是 USB 的新功能，但在引入 USB Type-C 連接器之前并不常見。USB OTG 允許來自便攜式電池供電設(shè)備的雙向供電，這使設(shè)備(例如移動(dòng)電源)能夠?yàn)槠渌B接的其他設(shè)備或配件充電。之前，舊的micro-USB 規(guī)范需要采用特殊的電纜才能實(shí)現(xiàn)OTG功能，這增加了成本并降低了產(chǎn)品的互操作性(例如，支持 OTG 的電纜可能不能為其他設(shè)備充電)。USB Type-C 標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布之后，USB OTG 成為一種廣受歡迎的功能，因?yàn)闊o需增加更多成本，使用相同的電纜和連接器即可實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)在，許多采用電感拓?fù)涞拈_關(guān)充電器 IC 都支持 USB OTG 操作。該功能在許多常用產(chǎn)品中隨處可見，例如筆記本電腦、智能手機(jī)和移動(dòng)電源。

　　要支持 USB OTG，產(chǎn)品需要具備以下條件：

　　1.充電器 IC 必須支持雙向操作，并至少提供5V電壓 。

　　2.充電器 IC 必須具有限流功能，以保護(hù)連接的電流接收設(shè)備不會(huì)吸收過多的電流。

　　3.產(chǎn)品必須具備一個(gè) USB CC 控制器，可以將其角色從電力消耗者改為電源提供者，它能夠檢測(cè)連接的接收設(shè)備，并在 CC 引腳上公布能夠提供的額定電流。

　　MP2722是一款高效降壓充電器IC，它集成了 USB Type-C 放電模式和雙角色電源 (DRP) 模式所需的功能。該器件的集成 CC 控制器提供僅接收(sink-only)模式、僅放電(source-only)模式和雙角色電源 (DRP)模式。這些模式可以通過I2C接口手動(dòng)設(shè)置，也可以自動(dòng)選擇。MP2722完全兼容包含DRP 功能的 USB Type-C 1.3標(biāo)準(zhǔn)，并提供 Try.SNK 和 Try.SRC 模式支持。

　　在sink-only模式下，器件可以通過輸入電源接收電力。此時(shí)器件僅用作充電器，并在IN 引腳接入輸入電源時(shí)為電池充電。

　　在source-only模式下，器件可以通過電池為 IN 引腳供電。這種模式對(duì)于想要為外部設(shè)備供電的應(yīng)用十分有用。

　　在 DRP 模式下，DRP 端口可以充當(dāng)接收器或者電源，而且可以根據(jù)已連接的端口類型自動(dòng)進(jìn)行模式切換。無論 DRP 端口工作于何種模式，主機(jī)都可以強(qiáng)制器件打開和關(guān)閉。

　　安全性

　　除了確定理想的電池充電器IC拓?fù)湟酝?，設(shè)計(jì)人員還必須考慮器件的安全特性，以及這些特性與整體解決方案的關(guān)系。常見的安全功能可監(jiān)測(cè)并提供以下保護(hù)：

　　輸入、電池和系統(tǒng)欠壓和過壓保護(hù)

　　輸入、電池和系統(tǒng)過流保護(hù)

　　電池充電電流和電壓曲線

　　IC 溫度和電池溫度(包括遵循 JEITA 標(biāo)準(zhǔn))

　　充電/放電時(shí)間限制(通過充電安全定時(shí)器實(shí)現(xiàn))

　　MCU 和充電器IC軟件(通過監(jiān)控器定時(shí)器實(shí)現(xiàn))

　　要實(shí)現(xiàn)電池充電器 IC 的安全功能，通常需要規(guī)定工作范圍(例如電流和/或電壓)，同時(shí)設(shè)置充電或器件操作的上下閾值。

　　例如，如果預(yù)期工作輸入電壓 VIN為 5V，則充電器 IC 可以設(shè)置 3V的輸入欠壓保護(hù) (UVP) 閾值和 6V的輸入過壓保護(hù) (OVP) 閾值。當(dāng)VIN超出這些閾值，IC 會(huì)禁用輸入電源。充電器 IC 還可以提供約 4.5V的可配置VIN調(diào)節(jié)環(huán)路，以防止從輸入電源中汲取過多的功率。在這種情況下，充電器 IC 只需從輸入中汲取所需的功率;當(dāng)VIN降至其閾值以下時(shí)，汲取的功率也降低。當(dāng)調(diào)節(jié)環(huán)路與欠壓鎖定 (UVLO) 和過壓鎖定 (OVLO) 保護(hù)相結(jié)合時(shí)，充電器 IC 能夠在器件接入電源并可用時(shí)，以安全的方式最大化輸入功率。

　　MP2651即為一款具有強(qiáng)大保護(hù)功能的電池充電器 IC。這款升降壓充電器IC提供了多種保護(hù)功能，包括逐周期 MOSFET 電流限制、系統(tǒng)和電池過壓保護(hù) (OVP) 和欠壓保護(hù)(UVP)、系統(tǒng)短路保護(hù) (SCP)、溫度調(diào)節(jié)、電池缺失保護(hù)和電池溫度監(jiān)測(cè)，另外它還能監(jiān)測(cè)電池電流，以確保電池電量不會(huì)深度耗盡。

　　MP2651還提供一個(gè)安全定時(shí)器，用于防止過長的充電周期。對(duì)于恒流 (CC) 和恒壓 (CV) 充電，定時(shí)器在電池進(jìn)入恒流充電階段時(shí)啟動(dòng)，在各種條件下都可以復(fù)位，例如在輸入電源切換時(shí)或設(shè)備從過溫關(guān)斷中恢復(fù)時(shí)。如果電池進(jìn)入補(bǔ)充模式或出現(xiàn) NTC 熱故障或冷故障，定時(shí)器可以暫停。另外，定時(shí)器還可以延長至原有時(shí)長的兩倍。

　　監(jiān)控器(WATCHDOG)定時(shí)器

　　可配置充電器 IC 中，監(jiān)控器(俗稱看門狗)定時(shí)器的主要目的是在系統(tǒng)微控制器 (MCU) 死機(jī)或停止響應(yīng)的情況下，安全地處理實(shí)例。如果 MCU 開始工作不正?；蛲耆Ｖ惯\(yùn)行，寫入充電器 IC的值就可能不正確，這會(huì)影響充電期間的電池安全性。

　　一旦啟用，監(jiān)控器定時(shí)器就將運(yùn)行一段可配置的時(shí)長。當(dāng)充電器 IC 讀到來自 MCU 的 I2C 事務(wù)，就像看門狗被主人撫摸了一下，監(jiān)控器定時(shí)器被復(fù)位。在正常操作期間，定時(shí)器會(huì)持續(xù)被“撫摸(pet)”，直至定時(shí)到期結(jié)束。如果允許在沒有讀到I2C事務(wù)時(shí)定時(shí)器到期，則監(jiān)控器定時(shí)器會(huì)觸發(fā)一次“吠叫(bark)”。一旦發(fā)生“吠叫”，充電器IC會(huì)向 MCU 發(fā)送中斷，然后啟動(dòng)二級(jí)定時(shí)器。如果在二級(jí)定時(shí)器到期之前仍然沒有 I2C 事務(wù)，則觸發(fā)“咬(bite)”。在這種情況下，所有充電器 IC 的寄存器都被重置為其默認(rèn)值，并且為安全起見禁用充電。在一些帶NVDC 電源路徑管理的充電器IC設(shè)計(jì)中，監(jiān)控器定時(shí)器的“咬(bite)”可以強(qiáng)制切換電池 FET，以切斷充電器 IC 和 MCU 之間的電源，然后重啟 MCU。

　　MP2710 是一款具有電源路徑管理和 I2C 接口的緊湊型單節(jié)電池充電器 IC。該器件提供一個(gè)可配置的監(jiān)控器定時(shí)器，它可以同時(shí)工作在充電和放電模式下，但在放電模式下可以禁用定時(shí)器以降低靜態(tài)電流。如果在主機(jī)模式下啟用了監(jiān)控器定時(shí)器(當(dāng)可配置參數(shù)被修改時(shí))，主機(jī)必須寫入 MP2710，以定期復(fù)位定時(shí)器。如果定時(shí)器到期，則器件的大多數(shù)寄存器都將被重置回其默認(rèn)模式。如果定時(shí)器在充電和放電模式下都到期，則低壓差 (LDO) FET 和電池 FET 將關(guān)斷4 秒。監(jiān)控器定時(shí)器可以禁用或設(shè)置為 40s、80s 或 120s，并且可以通過 I2C 復(fù)位。

　　電池溫度監(jiān)測(cè)和 JEITA標(biāo)準(zhǔn)

　　充電器 IC 的一項(xiàng)關(guān)鍵安全要求是能夠在充電期間監(jiān)測(cè)電池的溫度，并在溫度超出指定范圍時(shí)控制充電電流和(或)電壓。在最簡單的實(shí)現(xiàn)中，充電器 IC 提供兩個(gè)比較器，其熱閾值和冷閾值與電池組內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)負(fù)溫度系數(shù) (NTC) 電阻器上的比例電壓相關(guān)。當(dāng)電池組的溫度超過熱閾值或低于冷閾值時(shí)，充電將被禁用。

　　在更高級(jí)的實(shí)現(xiàn)中，充電器 IC 可以實(shí)現(xiàn)5個(gè)或更多基于JEITA電池標(biāo)準(zhǔn)的溫度窗口。JEITA(日本電子和信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì))審查并確認(rèn)用于技術(shù)報(bào)告的標(biāo)準(zhǔn)，該組織的電池標(biāo)準(zhǔn)在整個(gè)行業(yè)中被廣泛使用。在許多設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中，充電器 IC 不僅應(yīng)支持每個(gè)溫度閾值可配置，還應(yīng)實(shí)現(xiàn)每個(gè)閾值的可配置響應(yīng)，例如降低充電電流或最大電池充電電壓，或完全禁用充電。這種可配置性至關(guān)重要，因?yàn)榇蠖鄶?shù)電池組制造商僅為各種電池類型和溫度范圍指定了唯一的充電電流和電壓要求。

　　MP2651 是一款 1至 4 節(jié)升降壓電池充電器IC，它提供具有4個(gè)溫度閾值和5個(gè)窗口的完全可定制 JEITA 配置文件。默認(rèn)上電閾值和充電行為，即cold、cool、warm和hot閾值，都可通過一次性可編程 (OTP) 存儲(chǔ)器進(jìn)行配置，并通過 I2C 接口修改。這些閾值通過 VNTC 和 NTC 引腳之間的電壓比監(jiān)控，其中每個(gè)電壓均對(duì)應(yīng)電池組中 NTC 電阻器的一個(gè)特定溫度。為了進(jìn)一步了解任一給定時(shí)間的電池溫度，MP2651還集成了一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，用于監(jiān)測(cè)NTC 引腳和其他關(guān)鍵參數(shù)。憑借所有這些監(jiān)測(cè)功能，MP2651不僅能夠滿足JEITA 標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)還提供額外的電池溫度信息以及靈活性，可以安全地應(yīng)用于不同的電池。

　　結(jié)論

　　從單電池充電器IC 到具有 兩個(gè) 或 三個(gè)以上串聯(lián)電池的充電器 IC，MPS 的電池充電器IC解決方案涵蓋了各種高性能 IC，它們將助力設(shè)計(jì)人員完善各種電池充電應(yīng)用。選擇電池充電器 IC 需要考量多種因素，例如充電曲線、充電器IC拓?fù)?例如開關(guān)或線性充電器IC)、電源路徑管理結(jié)構(gòu)、電池配置和安全特性(例如監(jiān)控器定時(shí)器和 JEITA 溫度監(jiān)測(cè))。了解這些參數(shù)如何影響系統(tǒng)和電池規(guī)格，就能夠做出最佳選擇。