为便携式设备快速充电

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。