如何在縮小便攜式電子產(chǎn)品整體解決方案尺寸的同時(shí)增加充電電流

1.前言

現(xiàn)代便攜式電子設(shè)備包括高容量鋰離子電池，可為我們熟知和喜愛的功能供電，例如高清攝像頭、無(wú)邊框高分辨率觸摸屏和高速數(shù)據(jù)連接。可充電鋰離子電池是手機(jī)、筆記本電腦等現(xiàn)代數(shù)碼產(chǎn)品中應(yīng)用最廣泛的電池，但它較為“嬌氣”，在使用中不可過充、過放(會(huì)損壞電池或使之報(bào)廢)。隨著功能列表的不斷增加，支持它們所需的電池容量以及在合理時(shí)間內(nèi)為電池充電所需的充電電流也在不斷增加。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的一項(xiàng)關(guān)鍵考慮是在充電時(shí)平衡電池容量、充電時(shí)間和設(shè)備溫度。最后一個(gè)元素很重要，不僅可以增強(qiáng)用戶體驗(yàn)，還可以提高電池安全性和使用壽命。給定電池容量，我們可以通過增加充電電流來縮短充電時(shí)間，同時(shí)通過減少設(shè)備內(nèi)部的總功率損耗來控制設(shè)備溫度。

開關(guān)模式電池充電器的效率通常會(huì)在較高的電流水平下下降，這會(huì)導(dǎo)致更大的功率損耗和更高的設(shè)備溫度?；诮祲旱碾姵爻潆娖魍ǔ？梢酝ㄟ^犧牲解決方案尺寸來實(shí)現(xiàn)更高的效率；例如，具有較低電阻的較大電感器可能會(huì)提高典型設(shè)計(jì)在高電流下的效率。

2.鋰電池充電方案

TI 最新的配套電池充電器BQ25910 基于三電平降壓轉(zhuǎn)換器技術(shù)，可讓我們靈活地將效率提高 5 個(gè)百分點(diǎn)，同時(shí)將解決方案尺寸縮小 2 倍。與老一代充電器相比，這是在效率和解決方案尺寸方面的非凡改進(jìn)，并轉(zhuǎn)化為固定損耗預(yù)算下充電電流增加 50%。

圖 1 所示的三電平降壓轉(zhuǎn)換器是開關(guān)電容器和開關(guān)電感器電路的組合，沒有基本的占空比限制。通過添加一個(gè)在 V IN /2處平衡的快速電容器 C FLY，該電路將開關(guān) MOSFET 上的電壓應(yīng)力降低了一半，使 V SW處的有效開關(guān)頻率加倍，并將電感器兩端的伏秒降低了一半。柵極驅(qū)動(dòng)方案類似于兩相降壓轉(zhuǎn)換器的方案?；パa(bǔ)信號(hào)驅(qū)動(dòng)外部FET Q HSA和Q LSA，占空比D = V OUT /V IN。等占空比的第二個(gè)互補(bǔ)信號(hào)驅(qū)動(dòng)內(nèi)部 FET，Q HSB和 Q LSB，但相移了 180 度。

圖 1：bq25910 中使用的三電平降壓轉(zhuǎn)換器電路（a）；該器件的總解決方案尺寸為 56mm 2，包括所有功率元件 (b)

假設(shè) C FLY在 V IN /2處保持平衡，V SW節(jié)點(diǎn)可以呈現(xiàn)三種不同的電壓：V IN、V IN /2 和 GND。電感兩端電壓的降低決定了電路中的紋波電流，這是選擇所需電感的關(guān)鍵參數(shù)。由于電感器通常是開關(guān)轉(zhuǎn)換器中最大的物理組件，因此降低其要求可顯著節(jié)省解決方案尺寸。這使得新的應(yīng)用成為可能，例如高度受限的高充電電流設(shè)計(jì)。此外，較小的電感實(shí)際上會(huì)產(chǎn)生較低的損耗，從而提高整體效率。

飛跨電容器的添加使三電平降壓轉(zhuǎn)換器能夠降低半導(dǎo)體器件中的開關(guān)損耗以及外部電感器的尺寸和損耗，從而顯著提高效率。即使是很小的效率提升也可以轉(zhuǎn)化為更高的充電電流。通過將效率提高 5 個(gè)百分點(diǎn)，bq25910 將充電電流從 2.9A 增加到 4.35A，同時(shí)功率損耗為 1.5W，同時(shí)將總解決方案尺寸縮小了 2 倍。我們可以在圖 2 中看到這一點(diǎn)，其中比較了 bq25910 與上一代充電器的效率、尺寸和溫度。

圖 2：對(duì)于固定損耗，bq25910 的效率提高了 +5%，電流提高了 +50% (a)；并以一半的尺寸運(yùn)行 8°C 冷卻器 (b)

隨著每一代產(chǎn)品的推出，我們的便攜式電子設(shè)備的功能越來越豐富。這些新功能需要更大的電池容量和更大的物理面積來提供增強(qiáng)的用戶體驗(yàn)。這反過來又對(duì)電池充電器提出了嚴(yán)格的要求：它們必須占用更少的空間并在相等或更短的時(shí)間內(nèi)為更大的電池充電?；诮祲恨D(zhuǎn)換器的充電器通常會(huì)在效率與尺寸之間進(jìn)行權(quán)衡，這一事實(shí)需要一種能夠同時(shí)提供兩者的新技術(shù)。

bq25910 在快速和涼爽的電池充電方面提供了相當(dāng)大的改進(jìn)，同時(shí)減小了解決方案的尺寸。