便携产品充电电路旁路元件的选择

手机、数码相机、数码摄像机、DVD播放器、MP3播放器和PDA等便携式产品的充电电路设计可以采用四种不同的拓扑结构。四种解决方案都使用带外部旁路元件(见图1)的控制PMU(电源管理单元)。本文将探讨外部旁路元件的组成，并将讨论各种设计的优点和缺点。



图1 带外部旁路元件的解决方案

选择旁路元件取决于不同因素和它们各自对设计的重要性，包括开关效率、功率损耗、散热、驱动电路配置、PMU配置、PCB占位面积、封装高度、ESD容差和价格。充电电路额定电流小于600mA时，旁路元件经常集成在PMU中，完全不需要外部元件，因此，本文着重于讨论额定电流为1A的便携式产品的充电电路。旁路元件的四种不同的拓扑结构如图2所示。



图2 旁路元件的四种不同的拓补结构

开关效率对于电路很重要，其中旁路元件的开关时间引起的损耗将影响电池寿命。

正在推出的开关充电电路在给定面积中的功耗比标准线性稳压器少。拓扑结构A、B和D适用于这种情况，设计人员在选择时可以着重考虑MOSFET的开关时间。

导电功耗是影响电路效率的重要因素。旁路元件上的压降越小，功耗就越小。拓扑结构A和B都含有肖特基二极管，其上的压降相对较高，因此功耗也较大。拓扑结构C是一个低VCEsat的双极晶体管（BJT），其中设计人员必须考虑驱动电流损耗以及BJT上的损耗。拓扑结构D使用了两个串联现代沟道（modern trench）MOSFET，其中两个元件都增加了损耗。背靠背布置的小RDS(ON) MOSFET可提供极小的导通功耗。

散热在线性稳压充电电路中起着重要作用。1A的线性稳压使这些超小的封装产生大量的热量。散热方法之一是使用单独封装的元件，让不同元件在PCB上均匀散热。替代方案是将几个元件封装在一起，设计时需要着重考虑的是封装热阻。WDFN 2mm×2mm封装中的BJT和MOSFET新产品的特征是垫盘暴露在下面，明显降低了热阻。使用拓扑结构C（BJT）时，设计人员需要考虑潜在的热量流失。

驱动电路配置会受PMU设计影响，大多数PMU会提供为BJT或MOSFET设计的驱动电路。在分立设计中，BJT会需要能被吸收或耗散的连续驱动电流。增益相对高的BJT需要更小的驱动电流。MOSFET需要高栅极电压以得到低导通损耗。对于P沟道器件，可能需要增加一个电平偏移，而N沟道器件可能需要增加一个电荷泵。

PMU配置可能使用旁路元件完成充电以外的功能。拓扑结构D中，旁路元件用作开关，让电流从充电电池返回到另一个元件或电路。这种配置经常用于笔记本电脑中的可拆卸电池组上，其中相同的电池组连接器用于电池充电并对笔记本电脑供电。而且，在电话中，电池可用于驱动外部扬声器、MP3播放器、蓝牙等。

由于设计人员要不断满足更新的挑战，在更小的空间中容纳更多的元件，因此，PCB占位面积和封装高度也起着重要的作用。WDFN(0.75mm)或UDFN封装(0.55mm)的特征是外形极薄、占位面积小且性能高，它们是今天便携式电子设备的中常选用的器件封装方式。如果封装高度和占位面积不重要，那么设计人员可以从所有四种拓扑结构选择多样化的封装形式，其中，拓扑结构A需要挑选并放置另一额外元件。

随着便携式产品越来越小，ESD容差也变得越来越重要。邻近或在连接器上的ESD电荷变得越来越重要。因为BJT(HB＞8000V)的结构，其抗ESD性能明显比MOSFET(HB＞300V)好，而且不需要外部ESD保护，因此减少了元件数量。

价格始终是设计人员需要考虑的一个重要因素。封装形式越老、封装尺寸越大，价格就越低。比如，SOT23(3 mm×3mm)是业内成本最低的封装之一。至于其他小型封装，如ChipFET(3mm×2mm)或最新的WDFN(2mm×2mm)封装，尺寸更小、热阻更低，但是价格较高。在体积较大、形式较老的封装中使用拓扑结构A将是性价比最高的解决方案。

结论

新产品推出时间越来越短，使得设计工程师不得不重用前一充电电路的设计，而这种做法常常使制造商陷入更被动的局面，因为他们的竞争对手正在评估最新的技术并应用这些新解决方案以获得明显的性能优势。市场需要更小、更薄、更快、更耐热和更可靠的产品，在变携产品的充电电路设计上，也是同样，需要设计工程师考虑多方面的因素，最后取得性能和价格的平衡，使自己的产品能接受市场的挑战。