为便携式设备快速充电设计方案

的导通电阻；3） 在电量监测计起过流保护作用且用于测量电池充放电电流的电流感应电阻；以及 4） 与电池老化状况、温度和充电状态呈函数关系的电池内部电阻。

　　在对新电池使用 1C 充电速率时，充电器使用大约 30% 的充电时间工作在 CC 模式下，就可充足大约 70% 的电池容量。相反，充电器需要工作在 CV 模式下用总充电时间的 70% 才能充满剩余 30% 的电池容量。电池组的内部电阻越大，处于 CV 模式下的充电时间就越长。只有当电池开路电压达到最大充电电压时，电池才能完全充满。如果电池充电电压感测点与实际电池之间存在较大电阻，那么即便电池组感测到电压达到稳压电压后，真正的电池开路电压仍然低于所需的稳压电压。

　　对于智能手机和平板电脑等使用 4A 或更大充电电流的应用来说，面临的困难更大。在如此大的充电电流下，PCB 线迹或电池组内部电阻器上的压降会显著增大。这会造成充电器过早进入 CV 模式，造成充电时间拖长。如何才能缩短因这种高压降拖长的充电时间呢？

　　通过密切监测充电电流，就能准确地实时估算充电路径中的压降。这种称为 IR 补偿的电阻补偿技术能通过提高电池稳压电压来补偿充电路径中的额外压降。采用该技术，充电器就能尽可能长时间地工作在恒流稳压模式下，直至实际电池开路电压极为接近所需的电压值。这样，处于 CV 模式下的充电时间就能显著缩短，让总充电时间缩短达 20%。

　　系统散热优化

　　要实现快速充电功能，就需要使用 9V/1.8A 和 12V/2A 等较高功率适配器。另外，除了为电池充电，电池充电器还能为系统供电。这样它就成了便携式电源设备中温度最高的组件之一。为了提供更理想的终端用户体验，设备外壳的温度和环境温度之间的最大差异应不超过 15°C。由于这个原因，电池充电器的电源转换效率和系统散热性能需要满足更加严格的要求。如何才能同时实现最佳的散热性能和最理想的效率呢？

　　图 1：本方框图代表 4.5A I2C 高效率开关充电器

　　图 1 是 4.5A 高效率开关模式充电器的简化应用电路图。该充电器可同时支持 USB 和 AC 适配器，而且所有 MOSFET 均内部集成。MOSFET Q2 和 Q3 以及电感器 L 组成了基于同步开关降压的电池充电器。这种组合能尽可能实现最高的电池充电效率，而且能充分运用适配器功率实现最快的充电速度。MOSFET Q1 可用作电池反向阻断 MOSFET，防止电池通过 MOSFET Q2 的体二极管漏电到输入端。此外，它还可用作能监控适配器电流的输入电流感测元件。MOSFET Q4 可用于主动监控电池充电电流。设计中使用的全部 FET 应有足够低的导通电阻才能实现高效率。要进一步提升散热性能，还可采用散热稳压环路。当结温达到预定义的结温值时，其可通过降低充电电流来避免突破最大结温限制。

　　图 2：不同充电电流下的充电时间比较：2.5A 与 4.5A

　　实验测试结果

　　图 2 显示了充电电流与充电时间之间的关系。很容易理解，只要电池充电电流的速率没有超过电池制造商指定的最大电流速率，那么使用大充电电流就能加快充电速度。如图 2 所示，充电时间可以缩短 30%。换言之，当充电电流从 2.5A 增大到 4.5A 时，充电时间就会从 269 分钟缩短到 206 分钟。

　　图 3 显示了将 IR 补偿技术用于实际充电器设计所获得的充电时间缩短的优势。充电时间缩短 17%，就可从 234 分钟缩短到 200 分钟。

　　图 3：使用 IR 补偿法的快速充电对比。同样使用 4.5A 充电电流，充电时间可从 234 分钟缩短到 200 分钟。在给单节 8，000mAh 电池充电时，只需补偿 70mOhm 电阻，无需增加额外成本和造成额外散热影响，就可实现这一结果。

　　总结

　　对于众多便携式设备而言，快速充电正变得前所未有地重要。但这要求在实际充电系统中纳入全新的设计思路，包括使用新型高电压适配器、优化充电电流和散热等。此外，还需要高级充电模式来优化充电时间，延长电池使用寿命。上述实验结果验证了该设计用于快速充电的效能。