线性、开关还是直充？单芯电池充电IC如何选择

电子发烧友网报道（文/李宁远）在电源管理IC类别中电池充电IC是一类调节电池充电电流与电压的器件，广泛应用在各类便携式设备中。在锂电池大放异彩的今天，电池充电IC的应用也愈发深入。
 
多样电池充电IC拓扑结构
 
各类不同的终端设备对充电IC的电压和电流的要求是不同的，在我们常用的便携式设备里笔记本电脑就比无线耳机需要更高的充电功率水平。不同的功率水平需要对应了多种电池充电拓扑结构，每一种拓扑都提供了权衡和优化。
 
线性充电IC通过调节外部电阻来调整充电电流和充电电压，还有一种是Flash直充，直接调制输入电压源。这两种不同模式有相同的结构，充电器由一个用作短路电阻的装置组成，电池充电系统必须与输入源连通来实现一个完整的充电循环。这些拓扑结构下的IC都需要一个必须高于电池电压的输入电压才能正常工作。
 
开关模式充电IC可以调节占空比，并使用低通电感－电容（LC）滤波器来调节充电电流或充电电压。这种拓扑结构下，输入电源的变化影响甚微。通过重新排列开关元件和LC滤波器，这种拓扑类型的充电器可以补充具有相对于输入电压更高或更低电压的电池。
 
和所有电源设计的相关问题一样，如果要在相对较低的电流下完成充电，并且需要兼顾充电方案的简单和低成本，线性肯定是最直接的选择。需要通过更大的电流为更大容量的电池充电，开关模式充电IC则能最大限度地提高效率并尽可能地减少系统热量。
 
单芯开关模式充电IC
 
在单芯电池充电IC里，降压开关模式充电IC用得很多，典型的降压开关模式充电IC的架构中系统由降压转换器输出（存在输入时）或电池供电。降压开关模式充电IC解决了效率上的限制，通过拓展外部组件面积，更大的电路面积在更高的电荷电流下具有更高的效率（＞90%），多用于各种手持设备和便携式电源组。
 
三级降压开关模式充电IC通过更高的开关频率，有着更高的效率（＞95%）和功率密度。当然现在很多开关模式充电IC可以根据输入源和电池状况将转换器设置为降压、升压或降压－升压配置，足够宽的工作电压范围增加了单芯电池充电中开关模式充电IC在各类应用场景中的灵活性。

 

升降压开关模式充电IC，MPS

 
单芯充电，线性到直充
 
典型的线性充电IC由两个用以隔离输入和输出端子的双向阻塞开关组成，两个开关之间的引脚被称为PMID。在有输入存在的正常运行期间，第一开关打开并使输入短路到PMID，而第二开关调节其电阻来调整电池输出处的电流和电压。
 

线性充电IC架构，TI

 
线性充电IC是简单且直接的充电设计，可以做到很小的尺寸与极低的静态电流。这种类型的充电器可以在低充电电流下实现很高的调节精度（如0.5%调节电压精度），并且因为没有高频开关回路，相比于开关模式大大减少了EMI问题。不过由于其效率只取决于输入电压与电池电压的比值η=VBAT/VIN，相对来说效率会偏低一些。
 
在1A以下的充电应用，线性充电IC应用得非常多，而且现在线性充电IC封装越来越小，静态电流越来越低，可以明显延长电池寿命，是小型可穿戴设备非常受欢迎的一类充电设计。加之温度监控、热调节等功能的引入，整个系统的运行极为可靠。
 
Flash直充在和线性充电IC相同的架构下，通过让VIN接近VBAT，大大提高了充电效率。直充充电IC把调节器卸载到了外部适配器，将输入直接连接到充电器，实现95%以上的效率。在这种方案里，所有调节都由主处理器执行，尽可能减少移动设备内部的损耗，具有非常高的充电电流（＞4A）。这意味着直充充电IC需要一个可以实现高精度调节的适配器，配合专用主机进行调节。
 
虽然Flash直充架构效率已经很高，但另一种直充架构，SC直充，这种直充架构效率更高，可以达到8A充电电流。如下图，希荻微的直充充电IC HL7132，在4.5A电流下效率可达到超过97%的高效率；南芯的SC8551，充电电流最大支持8A，效率可达到98%；伏达的NU2205在2:1充电模式下效率为98.0%，在1:1充电模式下效率最高达到了99.2%。这也是大功率快充背后的杀手锏。
 

SC直充HL7132，希荻微

 

SC8551 8A高效率充电IC，南芯

 

NU2205，伏达

 
这种架构下的直充相较于Flash直充，不需要随着充电电流的提升而更换线缆。从市场对单芯大功率充电的需求来看，SC直充架构的充电IC还有很大的发展空间。除了TI、ADI、NPX等国际大厂，可以看到国内的南芯、伏达、希荻微在这一块产品的性能也十分优异，尤其是充电效率这一指标。

小结

在各种单芯充电场景里，线性充电IC的微小尺寸和低静态电流在小型可穿戴设备里备受欢迎，开关模式充电IC良好的热性能以及各种功率下的多功能设计灵活性也独树一帜，更不用说直充超高的充电效率。不同充电架构的发展适配了各种不同需求下的充电应用。