儘管大家都享受到了無線通信的樂趣，但是充電使得這種樂趣打了折扣，並且給人無法擺脫連線的感覺並也被認為是一件麻煩事，因此行動電話設計者通過使得充電便捷或盡可能以高效率來應對。IC廠商有責任提供優質而有競爭力的充電器IC，並在最節省成本的前提下，將所有系統需求因素考慮在內。

充電器如何運作？

由於在更高能量密度（典型值為150 Wh/kg）方面的好處遠遠超過其與鎳金屬氫化物電池相比的價格劣勢，因此鋰離子電池是目前最廣泛使用的行動電話電池解決方案。根據電池電壓的不同，鋰離子充電調節器依電池電壓可分為兩種充電方式。首先是定電流（CC）充電。通常，鋰離子電池從3.6V開始充電直到達到其截止電壓，根據化學原理及製造商的不同，該截止電壓的典型值?4.15V。當電壓在3V以下時，電池就被認?是深度放電，此時必須使用一個50mA（典型值）的定電流電源對其進行預充電，直到電池電壓達到3V。當電壓低於3V時，基於安全的考慮禁止使用超過50mA的電流對低於3V的鋰離子電池充電。在完成預充電周期後，充電器切換到高速充電檔，並使用額定電流對鋰離子電池進行充電，該額定電流可以高達1A。在平均約20分鐘的快速充電之後，電池達到其4.15V（典型值）的「截止電壓」，此後充電調節器轉為第二種充電方式：定電壓（CV）充電。在CV充電期間，充電電流通常從1A降到50mA的預定水準，同時在電池上維持4.15V的定電壓，如(圖一)所示。一些充電器提供在4小時定電壓充電之後的暫停，以避免對有缺陷的電池進行無休止的充電。當在CV模式下無休止地充電時，鋰離子電池也會更快地老化。

《圖一　鋰離子電池充電方式》

充電器功能包含一個感應電阻器（為控制環路一部分，用來測量充電電流）和一個導引充電電流的傳遞裝置。美國國家半導體提供的諸如LP3945等充電器包括感應電阻器和內部傳遞裝置，因而消除原本空間已經十分局促的系統中的外部元件。

《圖二　LP3945電路架構圖》

《圖三　充電IC保護電路示意圖》

內置保護特性

許多充電器包含防止在不安全情況下充電的安全特性。帶有內部感應電阻器和傳遞裝置的線性充電器使IC發熱，因此根據充電周期的狀態，充電器封裝要消耗1.5到2W的能量。因此充電器都配備了熱停機保護，在超過充電器IC接面溫度（Junction Temperature）限制時禁止充電。

外部電源主要是汽車電池適配器或者牆面交流電適配器。在外部電源低於特定門檻電壓的情況下，即通常所說的低電壓鎖定，充電也會停止。如果充電器的輸入電壓超過對於鋰離子電池來說不安全的程度，充電周期也會終止。稱?過電壓鎖定，其典型值約?4.6V。

為了防止電池通過充電器自身放電，反向電流保護對於充電器來說是必需的。如果外部電源連接到了電話上而又由於未接通電源或損壞而不起作用，就會發生這種情況。好的鋰離子充電器具有內部反向電流保護功能，消除了對外部肖特基二極體的需求，且對電源有額外空間要求。

充電器電壓和電流環路具有緩慢的回應時間，可能變得不穩定，例如，如果電池在充電周期中被無意或故意拔掉，充電器就可能開始振盪。通過檢測充電過程中的電池電源連接切斷，現今的充電器IC本身具有防止這種充電器環路不穩定行?的功能。這是通過加速充電器控制系統的頻率回應實現的。行動電話因而可以在充電器IC仍然與外部電源連接而電池連接切斷的情況下進行工作。

雖然過去行動電話通常通過汽車適配器或牆面交流電適配器進行充電，但現在致力於使充電簡便的USB充電開始進入市場。配備了USB介面的行動電話採用了4端子USB匯流排（VBUS）的電源線做為充電電源。將USB匯流排連接到行動電話?動了主機和外設之間的USB協定，加以「協商」一個可以直接用做鋰離子充電器充電電流的500mA電源電流。

充電器IC熱管理

良好的鋰離子充電器IC定義從封裝需求開始。空間是行動電話設計中最珍貴的資源，而獨立的鋰離子充電器IC要求最小的體積。不過，這樣的小型封裝還必須能夠消耗最大充電電流（1.0A）和充電器最大電壓降Vchargerin（6V）－Vbatt（3V）＝6V - 3V乘積的能量，無引線和裸露的小片連接襯墊封裝在導熱和總尺寸方面提供了最佳解決方案。

由於沒有足夠消耗IC所產生熱量的熱質量，倒裝式封裝不實用。基於對更高效率且更低能耗的磁降壓或開關電容調節器的充電器，在供應1A的充電電流時所需要的外部元件太大。這些巨大的電感器和電容器等外部元件阻礙了對製作最小且最高性能的充電器IC的追求。

除了良好的熱性能封裝之外，一些充電器通過電源調節來降低功耗產生的熱量。好的充電器IC具有電源調節功能，充電電流可以利用在電源裝置上?生的電壓降為函數來調整。如此一來效率更高，因?對於電源裝置上的給定電壓降，可以達到最大充電電流，而又從不超過封裝的功耗規範。

結論

好的充電器IC設計是系統需求平衡的結果。最佳的設計縮小了封裝尺寸，同時在通過不超出封裝功耗要求的情況下最大化充電電流，以提供最短充電時間。另外，安全特性和測試設計擴大了緊密約束的設計尺寸。

（作者為NS攜帶型電源系統部LSI設計中心經理）