充電IC的充電過程和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在電源管理IC類別中，充電IC作為調(diào)節(jié)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，小到耳機(jī)、手表、手環(huán)，大到手機(jī)、平板、筆記本電腦等，輸入電流從幾mA到5A，輸入電壓也從早期的5V，到更高的9V、12V，甚至到24V、36V、48V等。

充電過程

充電過程可分為預(yù)充(Pre-Charge)、恒流充電(CC)、恒壓充電(CV)三個(gè)階段。

- 預(yù)充階段 -

電流一般都比較小，300mA左右，主要考量電池在低壓下的充電倍率限制，旨在保護(hù)電池，在低電壓時(shí)低電流充電可以保護(hù)電池提高使用壽命。

- 恒流充電 -

當(dāng)預(yù)充到達(dá)VSHORT，進(jìn)入恒流充電，系統(tǒng)開機(jī)后進(jìn)入kernel，此時(shí)可以去配置恒流充電電流，直到VBAT電壓接近VOREG。

- 恒壓階段 -

VOREG與VBAT壓差越小，電流越小，電流小至截止電流時(shí)停止充電。

圖1 充電過程

充電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

- 線性充電 -

線性充電器IC通常體積小、外圍器件精簡、控制邏輯簡單故而性價(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穿戴設(shè)備，如智能手表、TWS耳機(jī)等。

- 開關(guān)充電 -

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還需要電感器和更多的電容器，這會(huì)增加成本，也更復(fù)雜，并占用更多的 PCB 空間。開關(guān)充電廣泛應(yīng)用于手機(jī)、PAD、移動(dòng)電源等設(shè)備。

- Charger Pump充電 -

隨著電池容量越來越大，解決充電慢焦慮，快速充電成了消費(fèi)者迫切需求，如今也越來越被市場認(rèn)可，Charger Pump充電應(yīng)運(yùn)而生。電荷泵充電架構(gòu)效率更高，功率更大，針對(duì)單電芯既可以工作在2：1模式，也可以工作在4：1模式，單芯片最高功率可以到60W，可以并聯(lián)使用做到120W以上，針對(duì)雙電芯可選用4：2或6：2架構(gòu)，最高功率可達(dá)單芯片80W。

終端設(shè)備形態(tài)不同，電池?cái)?shù)量亦有差異：

- 針對(duì)1~2節(jié)電池，可適配的充電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有線性、降壓型開關(guān)、升壓型開關(guān)、電荷泵四種

- 針對(duì)2節(jié)以上電池，有線性、降壓型開關(guān)、升降壓型開關(guān)三種

充電芯片的選用是功率、性能和方案開銷的綜合評(píng)定結(jié)果，最適合的架構(gòu)匹配最通用的需求。 艾為充電芯片完全覆蓋線性充電、開關(guān)充電、Charger Pump充電。

線性充電 AW32005系列

該系列產(chǎn)品用于對(duì)充電功率5W內(nèi)的精簡控制場景，比如：T-BOX，太陽能轉(zhuǎn)換等。只需要一個(gè)使能就可以實(shí)現(xiàn)充電功能，充電完成后可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)停充，通過外部電阻可以設(shè)置充電電流，主要特性包括：

充電電壓精度：±0.5%(0°C~50°C)

充電電流精度：±10%

最大輸入電壓可以到28V

具有預(yù)充、恒流充電(CC)、恒壓充電(CV)的完整充電過程

可設(shè)置CC充電電流和截止電流

自動(dòng)復(fù)充功能

充電電流：5mA~800mA

保護(hù)功能：VBUS OVP，電池OVP，反向漏電保護(hù)，熱保護(hù)

漏電流小于1μA

圖2 AW32005H/AW32005L典型應(yīng)用電路

線性充電 AW32001E

作為艾為經(jīng)典的線性充電產(chǎn)品，AW32001E使用I2C控制，主要用于可穿戴設(shè)備，比如：

頭戴式藍(lán)牙耳機(jī)-300-600mAh-帶Power Path，支持即時(shí)開機(jī)

智能手環(huán)-100-400mAh-BAT端漏電小、Shipping Mode、保護(hù)電池側(cè)

智能手表-400-500mAh-BAT端漏電小、Shipping Mode、保護(hù)電池側(cè)

真無線藍(lán)牙耳機(jī)艙-300-500mAh-電池端漏電小

真無線藍(lán)牙耳機(jī)-30mAh-60mAh-電池端漏電小

智能眼鏡-500mAh-雙側(cè)電池

手寫筆-80-100mAh-電池端漏電小

藍(lán)牙鍵盤-200mAh-帶Power Path，支持即時(shí)開機(jī)支持

運(yùn)動(dòng)監(jiān)測儀-130mAh-高溫高濕應(yīng)用

這些設(shè)備的特點(diǎn)都是電池容量小，所以為了提高電池利用率，需要更低的截止充電電流，讓電池真正充滿。也因?yàn)殡姵厝萘啃?，為延長產(chǎn)品使用時(shí)間，充電芯片需要滿足低功耗要求，降低運(yùn)輸模式漏電。另外，充電安全更要有保證，過流，過壓，溫度保護(hù)都不可少。艾為的AW32001E能夠高質(zhì)量滿足以上所有要求。

- AW32001E產(chǎn)品特性 -

充電截止電壓精度:±0.5% (0℃ to 50℃)

充電電流精度：±5%

充電電流范圍：2mA~500mA

充電截止電流：1mA~31mA

輸入電壓范圍：-5V~28V

支持動(dòng)態(tài)路徑管理(Power path)

支持Shipping-mode功能

支持補(bǔ)充模式

集成OVP、OCP、OTP、短路等9重安全防護(hù)

小封裝：1.68 x 1.68mm^2 CSP-9 (0.5 pitch)

圖3 電源路徑管理結(jié)構(gòu)

艾為開關(guān)充電系列中，AW32207FCR 和AW32257FCR，兩者封裝兼容，AW32207FCR 滿足2A充電，AW32257FCR滿足2.5A充電，主要應(yīng)用于手機(jī)、平板、POS機(jī)、藍(lán)牙音箱、玩具、數(shù)碼相機(jī)等。

- 具體產(chǎn)品特性 -

電壓精度±0.5%(25°C)、±1%(0°C~ 85°C)，充電電流精度±5%

I2C接口，可配置VIN DPM閾值，配置充電電壓(3.5V~4.5V)，智能充電截止算法

2.0A(AW32207FCR)和2.5A(AW32257FCR)充電電流

充電效率高達(dá)95%

輸入最大耐壓值20V

不良適配器檢測和電池移除檢測

強(qiáng)大的保護(hù)功能：VBUS OVP，電池OVP，反漏電保護(hù)，熱保護(hù)

充電狀態(tài)和故障指示

5.05V，1A OTG輸出

圖4 AW32207典型應(yīng)用電路

Charger Pump充電

AW32270CSR AW32280CSR

Charger Pump充電，主要用于更大功率快充，比如40W，60W，甚至100W以上。艾為有40W CP 2:1 的AW32270CSR，也有60W CP 4:1 的AW32280CSR，那么4：1的Charger Pump充電芯片是怎么工作的呢?分為Phase 1和Phase 2。

圖5 Phase1工作過程

上半周期：Q1 & Q7 turn on，CFL1上極板=VBUS=20V，下極板=VBAT=5V，經(jīng)過Q7進(jìn)電池。

Q3 & Q6 & Q7 turn on，CFLY2上極板=10V，下極板=0V，CFL2給CFLY3+電池充電，CFLY3上極板=10V，下極板=5V，經(jīng)過Q7進(jìn)電池，Q7流過兩組電流之和。

圖6 Phase2工作過程

下半周期：Q4 & Q8 turn on，CFL3給VBAT充電，CFLY3上極板=5V，下極板=0V，電流來自Q8，Q8 & Q2 & Q5 turn on，CFLY1上極板=15V，下極板=0V。CFL1給CFLY2+電池充電，電流來自Q8，CFLY2上極板=15V，下極板=VBAT=5V。Q8流過兩組電流之和。

以上為Phase1工作過程，Phase 1和Phase 2共用一個(gè)開關(guān)時(shí)鐘，開關(guān)狀態(tài)相反。

Phase 1：Q1，Q3，Q6，Q7導(dǎo)通時(shí)，Phase 2：Q2，Q4，Q5，Q8導(dǎo)通

Phase 2：Q1，Q3，Q6，Q7導(dǎo)通時(shí)，Phase 1：Q2，Q4，Q5，Q8導(dǎo)通

- AW32280CSR產(chǎn)品特性 -

單芯片最高功率60W(20V/3A)

支持正向4:1，21以及反向1:4，1:2,1:1

F41下充電效率96.4%@8A/4.5V，每FLY電容為4*22uF

最多支持4顆芯片并聯(lián)充電(不同I2C SLAVE地址)

支持片間均流功能，避免不同芯片間電流不均衡

輸入同時(shí)支持無線充電輸入和USB有線輸入

內(nèi)部集成12bit ADC，采樣VBUS，IBUS，VBAT，IBAT，VOUT，TBAT，TDIE，USB，PSW信息

內(nèi)部集成30重充電安全防護(hù)

艾為充電芯片選型表

- 線性充電 -

圖7 艾為線性充電產(chǎn)品選型表

- 開關(guān)充電 -

圖8 艾為開關(guān)充電產(chǎn)品選型表

- Charger Pump充電 -

圖9 艾為Charger Pump充電產(chǎn)品選型表