線性、開關(guān)還是直充？單芯電池充電IC如何選擇

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/李寧遠(yuǎn)）在電源管理IC類別中電池充電IC是一類調(diào)節(jié)電池充電電流與電壓的器件，廣泛應(yīng)用在各類便攜式設(shè)備中。在鋰電池大放異彩的今天，電池充電IC的應(yīng)用也愈發(fā)深入。

多樣電池充電IC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

各類不同的終端設(shè)備對充電IC的電壓和電流的要求是不同的，在我們常用的便攜式設(shè)備里筆記本電腦就比無線耳機(jī)需要更高的充電功率水平。不同的功率水平需要對應(yīng)了多種電池充電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每一種拓?fù)涠继峁┝藱?quán)衡和優(yōu)化。

線性充電IC通過調(diào)節(jié)外部電阻來調(diào)整充電電流和充電電壓，還有一種是Flash直充，直接調(diào)制輸入電壓源。這兩種不同模式有相同的結(jié)構(gòu)，充電器由一個用作短路電阻的裝置組成，電池充電系統(tǒng)必須與輸入源連通來實現(xiàn)一個完整的充電循環(huán)。這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的IC都需要一個必須高于電池電壓的輸入電壓才能正常工作。

開關(guān)模式充電IC可以調(diào)節(jié)占空比，并使用低通電感－電容（LC）濾波器來調(diào)節(jié)充電電流或充電電壓。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，輸入電源的變化影響甚微。通過重新排列開關(guān)元件和LC濾波器，這種拓?fù)漕愋偷某潆娖骺梢匝a充具有相對于輸入電壓更高或更低電壓的電池。

和所有電源設(shè)計的相關(guān)問題一樣，如果要在相對較低的電流下完成充電，并且需要兼顧充電方案的簡單和低成本，線性肯定是最直接的選擇。需要通過更大的電流為更大容量的電池充電，開關(guān)模式充電IC則能最大限度地提高效率并盡可能地減少系統(tǒng)熱量。

單芯開關(guān)模式充電IC

在單芯電池充電IC里，降壓開關(guān)模式充電IC用得很多，典型的降壓開關(guān)模式充電IC的架構(gòu)中系統(tǒng)由降壓轉(zhuǎn)換器輸出（存在輸入時）或電池供電。降壓開關(guān)模式充電IC解決了效率上的限制，通過拓展外部組件面積，更大的電路面積在更高的電荷電流下具有更高的效率（＞90%），多用于各種手持設(shè)備和便攜式電源組。

三級降壓開關(guān)模式充電IC通過更高的開關(guān)頻率，有著更高的效率（＞95%）和功率密度。當(dāng)然現(xiàn)在很多開關(guān)模式充電IC可以根據(jù)輸入源和電池狀況將轉(zhuǎn)換器設(shè)置為降壓、升壓或降壓－升壓配置，足夠?qū)挼墓ぷ麟妷悍秶黾恿藛涡倦姵爻潆娭虚_關(guān)模式充電IC在各類應(yīng)用場景中的靈活性。

升降壓開關(guān)模式充電IC，MPS

單芯充電，線性到直充

典型的線性充電IC由兩個用以隔離輸入和輸出端子的雙向阻塞開關(guān)組成，兩個開關(guān)之間的引腳被稱為PMID。在有輸入存在的正常運行期間，第一開關(guān)打開并使輸入短路到PMID，而第二開關(guān)調(diào)節(jié)其電阻來調(diào)整電池輸出處的電流和電壓。

線性充電IC架構(gòu)，TI

線性充電IC是簡單且直接的充電設(shè)計，可以做到很小的尺寸與極低的靜態(tài)電流。這種類型的充電器可以在低充電電流下實現(xiàn)很高的調(diào)節(jié)精度（如0.5%調(diào)節(jié)電壓精度），并且因為沒有高頻開關(guān)回路，相比于開關(guān)模式大大減少了EMI問題。不過由于其效率只取決于輸入電壓與電池電壓的比值η=VBAT/VIN，相對來說效率會偏低一些。

在1A以下的充電應(yīng)用，線性充電IC應(yīng)用得非常多，而且現(xiàn)在線性充電IC封裝越來越小，靜態(tài)電流越來越低，可以明顯延長電池壽命，是小型可穿戴設(shè)備非常受歡迎的一類充電設(shè)計。加之溫度監(jiān)控、熱調(diào)節(jié)等功能的引入，整個系統(tǒng)的運行極為可靠。

Flash直充在和線性充電IC相同的架構(gòu)下，通過讓VIN接近VBAT，大大提高了充電效率。直充充電IC把調(diào)節(jié)器卸載到了外部適配器，將輸入直接連接到充電器，實現(xiàn)95%以上的效率。在這種方案里，所有調(diào)節(jié)都由主處理器執(zhí)行，盡可能減少移動設(shè)備內(nèi)部的損耗，具有非常高的充電電流（＞4A）。這意味著直充充電IC需要一個可以實現(xiàn)高精度調(diào)節(jié)的適配器，配合專用主機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

雖然Flash直充架構(gòu)效率已經(jīng)很高，但另一種直充架構(gòu)，SC直充，這種直充架構(gòu)效率更高，可以達(dá)到8A充電電流。如下圖，希荻微的直充充電IC HL7132，在4.5A電流下效率可達(dá)到超過97%的高效率；南芯的SC8551，充電電流最大支持8A，效率可達(dá)到98%；伏達(dá)的NU2205在2:1充電模式下效率為98.0%，在1:1充電模式下效率最高達(dá)到了99.2%。這也是大功率快充背后的殺手锏。

SC直充HL7132，希荻微

SC85518A高效率充電IC，南芯

NU2205，伏達(dá)

這種架構(gòu)下的直充相較于Flash直充，不需要隨著充電電流的提升而更換線纜。從市場對單芯大功率充電的需求來看，SC直充架構(gòu)的充電IC還有很大的發(fā)展空間。除了TI、ADI、NPX等國際大廠，可以看到國內(nèi)的南芯、伏達(dá)、希荻微在這一塊產(chǎn)品的性能也十分優(yōu)異，尤其是充電效率這一指標(biāo)。

小結(jié)

在各種單芯充電場景里，線性充電IC的微小尺寸和低靜態(tài)電流在小型可穿戴設(shè)備里備受歡迎，開關(guān)模式充電IC良好的熱性能以及各種功率下的多功能設(shè)計靈活性也獨樹一幟，更不用說直充超高的充電效率。不同充電架構(gòu)的發(fā)展適配了各種不同需求下的充電應(yīng)用。