如何在缩小便携式电子产品整体解决方案尺寸的同时增加充电电流

1.前言

现代便携式电子设备包括高容量锂离子电池，可为我们熟知和喜爱的功能供电，例如高清摄像头、无边框高分辨率触摸屏和高速数据连接。随着功能列表的不断增加，支持它们所需的电池容量以及在合理时间内为电池充电所需的充电电流也在不断增加。

系统设计人员的一项关键考虑是在充电时平衡电池容量、充电时间和设备温度。最后一个元素很重要，不仅可以增强用户体验，还可以提高电池安全性和使用寿命。给定电池容量，我们可以通过增加充电电流来缩短充电时间，同时通过减少设备内部的总功率损耗来控制设备温度。

开关模式电池充电器的效率通常会在较高的电流水平下下降，这会导致更大的功率损耗和更高的设备温度。基于降压的电池充电器通常可以通过牺牲解决方案尺寸来实现更高的效率；例如，具有较低电阻的较大电感器可能会提高典型设计在高电流下的效率。

2.充电方案

TI 最新的配套电池充电器bq25910 基于三电平降压转换器技术，可让我们灵活地将效率提高 5 个百分点，同时将解决方案尺寸缩小 2 倍。这是效率和解决方案尺寸的非凡改进，与老一代充电器相比，在固定损耗预算下，充电电流增加了 50%。

• 并联充电器可在双充电器配置下提供快速充电
• 高效的750kHz开关模式三级降压并联充电器
  • 降低了纹波，因此可支持低厚度电感器
  • 输入电压为5V，电流为1.5A时，充电效率为95.4％
  • 输入电压为9V，电流为3A时，充电效率为93.3％
  • 传统小尺寸降压转换器相比，效率更加出色
• 单个输入，支持USB输入和可调高压适配器
  • 支持3.9V至14V输入电压范围具有20V额定最大绝对输入电压
  • 输入电流限制（500mA至3.6A，分辨率为100mA），支持USB2.0，USB3.0标准和高压适配器
  • 通过高达14V的输入电压限制（VINDPM）进行最大功率跟踪

图 1 所示的三电平降压转换器是开关电容器和开关电感器电路的组合，没有基本的占空比限制。通过添加一个在 V IN /2处平衡的快速电容器 C FLY，该电路将开关 MOSFET 上的电压应力降低了一半，使 V SW处的有效开关频率加倍，并将电感两端的伏秒减少了一半。栅极驱动方案类似于两相降压转换器的方案。互补信号驱动外部 FET Q HSA和 Q LSA，占空比 D = V OUT /V IN。等占空比的第二个互补信号驱动内部 FET，Q HSB和 Q LSB，但相移了 180 度。

图 1：bq25910 中使用的三电平降压转换器电路（a）；该器件的总解决方案尺寸为 56mm 2，包括所有功率元件 (b)

假设 C FLY在 V IN /2处保持平衡，V SW节点可以呈现三种不同的电压：V IN、V IN /2 和 GND。电感两端电压的降低决定了电路中的纹波电流，这是选择所需电感的关键参数。由于电感器通常是开关转换器中最大的物理组件，因此降低其要求可显着节省解决方案尺寸。这使得新的应用成为可能，例如高度受限的高充电电流设计。此外，较小的电感实际上会产生较低的损耗，从而提高整体效率。

飞跨电容器的加入使三电平降压转换器能够降低半导体器件中的开关损耗以及外部电感器的尺寸和损耗，从而显着提高效率，即使是很小的效率提升也可以转化为更高的充电电流。通过将效率提高 5 个百分点，bq25910 将充电电流从 2.9A 增加到 4.35A，同时功率损耗为 1.5W，同时将总解决方案尺寸缩小了 2 倍。我们可以在图 2 中看到这一点，其中比较了 bq25910 与上一代充电器的效率、尺寸和温度。

图 2：对于固定损耗，bq25910 的效率提高了 +5%，电流提高了 +50% (a)；并以一半的尺寸运行 8°C 冷却器 (b)

随着每一代产品的推出，我们的便携式电子设备的功能越来越丰富。这些新功能需要更大的电池容量和更大的物理面积，以提供增强的用户体验。这反过来又对电池充电器提出了严格的要求：它们必须占用更少的空间并在相等或更短的时间内为更大的电池充电。基于降压转换器的充电器通常会在效率与尺寸之间进行权衡，这一事实需要一种能够同时提供两者的新技术。

bq25910 在快速和凉爽的电池充电方面提供了相当大的改进，同时减小了解决方案的尺寸。考虑在我们的下一个具有高电流和高效率要求的电池充电器设计中利用这一创新解决方案。