电池充电管理：适用灵活性是关键
2009-12-08 09:34:45
来源：eccn
与过去便携式电子产品主要采用一次性干电池或碱性电池作为电源不同，如今不论是笔记本电脑、手机还是MP3/MP4播放器，都基本使用锂离子、镍镉或者镍氢等可充电电池，不仅降低使用成本有利于环境保护，更重要的是电池容量可以做得更大，以获得更长的续航时间。可充电电池由于本身的特性也给系统开发商提出了新的要求，为了使可充电电池具有更长的使用寿命，正确的充电电路设计与器件选择至关重要，无论是外接的充电器还是系统内部充电电源管理方案都需要根据具体使用情况详加考虑。
单芯片充电管理方案或将成为主流
在便携式产品中，电池充电通常可采用两种方式，一种是利用系统本身主控MCU加一个脉宽调制解调单元(PWM)来实现，另一种是使用高集成度单芯片充电管理IC。“单芯片充电管理IC最大的优势在于拥有更高的可靠性，而MCU+PWM方案则更为便宜简单。”富士通微电子市场部经理王韵在接受本刊记者采访时解释道，“系统制造商可以在成本、可靠性等方面比较两种方案的优劣，选用最合适的方案即可。从长远来说，随着单芯片充电管理IC的成本下降以及和外部通讯功能的增加，更多的应用当中选用更具可靠性的单芯片将会成为趋势。”
据王韵介绍，富士通的充电管理产品主要定位在2Cell以上的市场，而2~4Cell应用当中最大的市场要属笔记本电脑。从15年前开始，富士通电源管理的研发团队就和富士通的笔记本电脑研发部门合作，开始开发针对笔记本电脑的充电管理IC。通过好几代产品的不断开发和改善，全新研发的锂电池充电管理IC MB39A132和MB39A134已在台湾地区和中国大陆等地许多大厂得到应用，同时也受到最近备受瞩目的上网本市场的关注。“在笔记本电脑应用当中，由于数年前接二连三发生充电电池爆炸事件，使各笔记本设计厂商对充电部分的设计愈发重视，在对充电管理部分都会选用品质稳定和可靠性高的大品牌电源管理IC。”他说道。
不过来自BCD半导体公司的AC/DC产品总监吴昕博士更看好MCU+PWM方案，他认为专用充电管理IC形成的控制方案电路虽然简单但功能比较单一，通常只能对特定参数的锂离子电池进行充电，而不同型号的便携式产品往往使用不同型号规格的锂离子电池，如果采用专用芯片，就会造成重复开发和资源浪费。
“用MCU+PWM实现的Buck电路成本低且控制方法灵活，可以方便地进行改进和升级，能够适用于各种锂离子电池。”吴昕表示。
BCD半导体是一家位于大中华区的模拟信号集成电路制造商(IDM)，从事电源管理集成电路产品的设计研发与制造。不同于市场上其他的Fabless设计公司，BCD半导体拥有6英寸晶圆厂(包括Bipolar、CMOS、BiCMOS和BCDMOS等生产工艺)，可以藉由产品设计和先进的工艺技术整合来优化产品的性能和成本，以提供具高性价比的应用系统解决方案。
实际上BCD半导体关注的重点是高效率低成本AC/DC离线式电源适配器/充电器控制芯片，该公司于2006年开发的第一代原边控制器AP370x系列产品是市场上最早推出的同类产品之一。据介绍，AP370x采用原边控制和输出电缆补偿专利技术，内置温度补偿和变压器原边电感补偿，可以在省去光耦和次级反馈控制电路的情况下实现高精度的输出电压、电流控制，从而极大减少了电源电路的元器件个数，简化电路设计，现已成功应用于手机、无线公话、无绳电话以及无线路由器等产品的充电器/适配器中。“为了进一步提高电源转换效率、降低待机能耗，我们又进一步在业界领先推出了满足五星级标准的第二代原边控制器AP376x系列，其30mW以下的空载功耗可以轻松满足包括能源之星EPS v2.0和五星级手机充电器标准在内的全球所有的充电器/适配器能效及空载规范。”吴昕表示。
输入电源日趋多样
随着人们生活环境的日益多样化，可用于电池充电的电源也日趋多样化，除了传统的220V AC适配器以外，用户还希望随时能够通过USB接口或车载电源等对各种设备的电池进行充电，此外还有用户要求在设备充电的同时能够继续使用其功能，因此设备的充电管理电路需要更具灵活性，以适应更为广泛的应用环境。
显然，新的要求也给系统制造商带来了更大的挑战。“挑战首先来自于充电管理IC需要更宽的工作电压范围，这样就需要使用更高电压的半导体工艺来进行芯片的设计。”王韵表示，“第二个挑战是要求IC能对不同的输入电源作出相应的调整，以及对电池充电和系统用电能做出一定的管理。”他以富士通MB39A132/134充电管理IC为例解释道，通过对输入电流进行动态的分配，保证了系统用电和电池充电可以同时稳定进行。
由于AC适配器/USB/车载电源所提供的电压电流都不相同，而充电电池的电压和节数也不尽相同，当充电电压高于电源电压时要通过升压才能进行充电，这样的升降压充电管理IC在市场上还没有看到。此外在设备工作时同时充电，要求充电管理IC有很好的抗干扰设计，同时要注意在电池电压很低的情况下，充电电流要保证大于放电电流，避免“入不敷出”的情况发生。“从充电IC的设计来看，目前面临的挑战包括：1、如何进一步提高充电转换效率和降低待机的功耗;2、如何有效管理多通道的电源和负载;3、如何提高充电速率并同时保证电池的安全使用寿命;4、如何进一步扩展充电控制方法的灵活配置以期适应不同型号电池的充电要求。”吴昕补充道。
他认为，便携式产品充电器如手机充电器是一个相对成熟、稳定的市场，目前国内相应生产企业大多以生产制造为主，技术开发的力量相对比较薄弱。同时充电器本身是薄利商品，厂商的成本控制压力比较大，对新技术的接受度也相对较低。近几年由于公众环保意识的增强，政府和各类环保组织、机构，包括手机厂商本身，都提出了多个涉及充电器的节能环保标准，例如中国工信部颁布的《移动通信手持机充电器及接口技术要求和测试方法》(YD/T1591-2006)、能源之星EPS2.0、手机充电器分级标准等等，都旨在减少资源浪费、提高电能效率、减低空载空耗。这些标准的推出很大程度上推动了充电器产品的技术革新。
“中国制造商面临的主要困难是设计者对充电方面的技术实践不够，未能完全掌握充电设计的要求。”王韵说道，“同时各家充电管理IC的功能不尽相同，使用者对新产品缺乏了解，设计不容易上手。解决的方法主要依靠充电管理IC的厂商加大对市场的产品和技术的推广，给设计者提供多方位的技术支持，使设计者能快速掌握充电管理设计的技术。”
在笔记本设计当中，工程师对充电管理IC的设计都非常重视，否则一旦发生问题将耗费工程师大量的时间和精力，所以在研发早期发现问题非常关键。王韵表示，富士通除了提供评估板用于客户系统评估之外，还开发了笔记本电源设计评估系统，通过这套系统，只要客户提供完整电路就可以对任何可能发生的问题进行完整的事前检查，从而帮助减少研发风险。
去年下半年发生的全球金融海啸对于消费电子类产品打击巨大，“但我们欣喜地发现，消费类电子已先于整体经济开始复苏。特别是受益于国家家电下乡补贴政策，笔记本电脑和液晶电视等市场迅速回暖。”王韵说道。“明年我们会继续加大在电源管理IC研发上的投入，届时将推出全新一代的充电管理产品。这几年新能源技术不断发展，电池技术备受瞩目，锂电池/锂铁电池也将会被应用到更多的产品当中。从电源管理IC来看，更安全、更高精度、多重保护功能、外部通讯功能、电池平衡充放电功能及多组电池宽电压输入等都将成为电池充电管理技术的未来发展趋势。”
采用高集成可编程逻辑器件进行电源管理
节能设计最严峻的挑战是使用微处理器来管理电源。微处理器未针对电源管理进行优化，它们必须处理太多的指令，而且反应时间缓慢，可能导致热击穿，以及突发性甚至是灾难性的电路板和系统故障。虽然在电源管理中使用微处理器一直是传统做法，但使用逻辑器件进行电源管理速度更快，而且更可靠。
莱迪思半导体于2009年4月推出Power Manager II系列新产品，其中POWR 1220AT8为电源监控、修整和电压测量提供了优异的解决方案，这种可编程器件可代替复位发生器、监控IC、看门狗定时器、排序/跟踪和热插拔集成电路等多个IC，为用户提供了必要的工具和功能，以满足大型基站、高端服务器和小型单板计算机等系统的绿色标准节能要求。根据具体的设计，节能效果有所不同，但节能30%并不少见。
降低功耗和节能的一个重要途径是关闭电路板未使用部分，并在负载较低时降低IC所消耗的功率。高集成度可编程Power Manager II器件把电压监控IC整合到一个器件里面，有助于降低系统成本，并提高可靠性。例如，Power Manager II 1220AT8监测多达12个电路板电源，提供多达20个开漏(open-drain)数字输出和8个DC-DC trim/margin输出。使用片上的48个宏单元CPLD和四个可编程定时器，该器件能生成CPU复位信号，包括脉冲拖尾和电源故障中断。20输出中有四个可配置为高电压MOSFET驱动器。还有六个通用数字输入，可用于其它控制功能。
该设计的一个优点是它们可以在任何使用电源敏感的平台中充当标准的电源管理解决方案。在整个平台和产品线建立这样的标准解决方案所获得的效率显而易见，从设计时间和所需器件的数量上都能得到体现。对于低功耗和节能器件的需求在过去几年里大大增加，而且这种趋势将继续下去，因此预计集成式可编程电源管理器件将得到更广泛的使用。
莱迪思下一代电源管理器件计划将提高集成度并包含更多功能，不仅能支持电源管理，而且可以实现对电路板本身的管理。其功能将扩大到包括温度监控、风扇控制、NV错误日志、用户逻辑和系统接口。除了电源管理产品，该公司还提供一系列低功耗可编程逻辑器件，包括ispMACH 4000KZE超低功耗CPLD和LatticeECP3 FPGA系列，后者的成本与功耗大约只是其他具备SERDES功能的FPGA的一半。
单芯片充电管理方案或将成为主流
在便携式产品中，电池充电通常可采用两种方式，一种是利用系统本身主控MCU加一个脉宽调制解调单元(PWM)来实现，另一种是使用高集成度单芯片充电管理IC。“单芯片充电管理IC最大的优势在于拥有更高的可靠性，而MCU+PWM方案则更为便宜简单。”富士通微电子市场部经理王韵在接受本刊记者采访时解释道，“系统制造商可以在成本、可靠性等方面比较两种方案的优劣，选用最合适的方案即可。从长远来说，随着单芯片充电管理IC的成本下降以及和外部通讯功能的增加，更多的应用当中选用更具可靠性的单芯片将会成为趋势。”
据王韵介绍，富士通的充电管理产品主要定位在2Cell以上的市场，而2~4Cell应用当中最大的市场要属笔记本电脑。从15年前开始，富士通电源管理的研发团队就和富士通的笔记本电脑研发部门合作，开始开发针对笔记本电脑的充电管理IC。通过好几代产品的不断开发和改善，全新研发的锂电池充电管理IC MB39A132和MB39A134已在台湾地区和中国大陆等地许多大厂得到应用，同时也受到最近备受瞩目的上网本市场的关注。“在笔记本电脑应用当中，由于数年前接二连三发生充电电池爆炸事件，使各笔记本设计厂商对充电部分的设计愈发重视，在对充电管理部分都会选用品质稳定和可靠性高的大品牌电源管理IC。”他说道。
不过来自BCD半导体公司的AC/DC产品总监吴昕博士更看好MCU+PWM方案，他认为专用充电管理IC形成的控制方案电路虽然简单但功能比较单一，通常只能对特定参数的锂离子电池进行充电，而不同型号的便携式产品往往使用不同型号规格的锂离子电池，如果采用专用芯片，就会造成重复开发和资源浪费。
“用MCU+PWM实现的Buck电路成本低且控制方法灵活，可以方便地进行改进和升级，能够适用于各种锂离子电池。”吴昕表示。
BCD半导体是一家位于大中华区的模拟信号集成电路制造商(IDM)，从事电源管理集成电路产品的设计研发与制造。不同于市场上其他的Fabless设计公司，BCD半导体拥有6英寸晶圆厂(包括Bipolar、CMOS、BiCMOS和BCDMOS等生产工艺)，可以藉由产品设计和先进的工艺技术整合来优化产品的性能和成本，以提供具高性价比的应用系统解决方案。
实际上BCD半导体关注的重点是高效率低成本AC/DC离线式电源适配器/充电器控制芯片，该公司于2006年开发的第一代原边控制器AP370x系列产品是市场上最早推出的同类产品之一。据介绍，AP370x采用原边控制和输出电缆补偿专利技术，内置温度补偿和变压器原边电感补偿，可以在省去光耦和次级反馈控制电路的情况下实现高精度的输出电压、电流控制，从而极大减少了电源电路的元器件个数，简化电路设计，现已成功应用于手机、无线公话、无绳电话以及无线路由器等产品的充电器/适配器中。“为了进一步提高电源转换效率、降低待机能耗，我们又进一步在业界领先推出了满足五星级标准的第二代原边控制器AP376x系列，其30mW以下的空载功耗可以轻松满足包括能源之星EPS v2.0和五星级手机充电器标准在内的全球所有的充电器/适配器能效及空载规范。”吴昕表示。
输入电源日趋多样
随着人们生活环境的日益多样化，可用于电池充电的电源也日趋多样化，除了传统的220V AC适配器以外，用户还希望随时能够通过USB接口或车载电源等对各种设备的电池进行充电，此外还有用户要求在设备充电的同时能够继续使用其功能，因此设备的充电管理电路需要更具灵活性，以适应更为广泛的应用环境。
显然，新的要求也给系统制造商带来了更大的挑战。“挑战首先来自于充电管理IC需要更宽的工作电压范围，这样就需要使用更高电压的半导体工艺来进行芯片的设计。”王韵表示，“第二个挑战是要求IC能对不同的输入电源作出相应的调整，以及对电池充电和系统用电能做出一定的管理。”他以富士通MB39A132/134充电管理IC为例解释道，通过对输入电流进行动态的分配，保证了系统用电和电池充电可以同时稳定进行。
由于AC适配器/USB/车载电源所提供的电压电流都不相同，而充电电池的电压和节数也不尽相同，当充电电压高于电源电压时要通过升压才能进行充电，这样的升降压充电管理IC在市场上还没有看到。此外在设备工作时同时充电，要求充电管理IC有很好的抗干扰设计，同时要注意在电池电压很低的情况下，充电电流要保证大于放电电流，避免“入不敷出”的情况发生。“从充电IC的设计来看，目前面临的挑战包括：1、如何进一步提高充电转换效率和降低待机的功耗;2、如何有效管理多通道的电源和负载;3、如何提高充电速率并同时保证电池的安全使用寿命;4、如何进一步扩展充电控制方法的灵活配置以期适应不同型号电池的充电要求。”吴昕补充道。
他认为，便携式产品充电器如手机充电器是一个相对成熟、稳定的市场，目前国内相应生产企业大多以生产制造为主，技术开发的力量相对比较薄弱。同时充电器本身是薄利商品，厂商的成本控制压力比较大，对新技术的接受度也相对较低。近几年由于公众环保意识的增强，政府和各类环保组织、机构，包括手机厂商本身，都提出了多个涉及充电器的节能环保标准，例如中国工信部颁布的《移动通信手持机充电器及接口技术要求和测试方法》(YD/T1591-2006)、能源之星EPS2.0、手机充电器分级标准等等，都旨在减少资源浪费、提高电能效率、减低空载空耗。这些标准的推出很大程度上推动了充电器产品的技术革新。
“中国制造商面临的主要困难是设计者对充电方面的技术实践不够，未能完全掌握充电设计的要求。”王韵说道，“同时各家充电管理IC的功能不尽相同，使用者对新产品缺乏了解，设计不容易上手。解决的方法主要依靠充电管理IC的厂商加大对市场的产品和技术的推广，给设计者提供多方位的技术支持，使设计者能快速掌握充电管理设计的技术。”
在笔记本设计当中，工程师对充电管理IC的设计都非常重视，否则一旦发生问题将耗费工程师大量的时间和精力，所以在研发早期发现问题非常关键。王韵表示，富士通除了提供评估板用于客户系统评估之外，还开发了笔记本电源设计评估系统，通过这套系统，只要客户提供完整电路就可以对任何可能发生的问题进行完整的事前检查，从而帮助减少研发风险。
去年下半年发生的全球金融海啸对于消费电子类产品打击巨大，“但我们欣喜地发现，消费类电子已先于整体经济开始复苏。特别是受益于国家家电下乡补贴政策，笔记本电脑和液晶电视等市场迅速回暖。”王韵说道。“明年我们会继续加大在电源管理IC研发上的投入，届时将推出全新一代的充电管理产品。这几年新能源技术不断发展，电池技术备受瞩目，锂电池/锂铁电池也将会被应用到更多的产品当中。从电源管理IC来看，更安全、更高精度、多重保护功能、外部通讯功能、电池平衡充放电功能及多组电池宽电压输入等都将成为电池充电管理技术的未来发展趋势。”
采用高集成可编程逻辑器件进行电源管理
节能设计最严峻的挑战是使用微处理器来管理电源。微处理器未针对电源管理进行优化，它们必须处理太多的指令，而且反应时间缓慢，可能导致热击穿，以及突发性甚至是灾难性的电路板和系统故障。虽然在电源管理中使用微处理器一直是传统做法，但使用逻辑器件进行电源管理速度更快，而且更可靠。
莱迪思半导体于2009年4月推出Power Manager II系列新产品，其中POWR 1220AT8为电源监控、修整和电压测量提供了优异的解决方案，这种可编程器件可代替复位发生器、监控IC、看门狗定时器、排序/跟踪和热插拔集成电路等多个IC，为用户提供了必要的工具和功能，以满足大型基站、高端服务器和小型单板计算机等系统的绿色标准节能要求。根据具体的设计，节能效果有所不同，但节能30%并不少见。
降低功耗和节能的一个重要途径是关闭电路板未使用部分，并在负载较低时降低IC所消耗的功率。高集成度可编程Power Manager II器件把电压监控IC整合到一个器件里面，有助于降低系统成本，并提高可靠性。例如，Power Manager II 1220AT8监测多达12个电路板电源，提供多达20个开漏(open-drain)数字输出和8个DC-DC trim/margin输出。使用片上的48个宏单元CPLD和四个可编程定时器，该器件能生成CPU复位信号，包括脉冲拖尾和电源故障中断。20输出中有四个可配置为高电压MOSFET驱动器。还有六个通用数字输入，可用于其它控制功能。
该设计的一个优点是它们可以在任何使用电源敏感的平台中充当标准的电源管理解决方案。在整个平台和产品线建立这样的标准解决方案所获得的效率显而易见，从设计时间和所需器件的数量上都能得到体现。对于低功耗和节能器件的需求在过去几年里大大增加，而且这种趋势将继续下去，因此预计集成式可编程电源管理器件将得到更广泛的使用。
莱迪思下一代电源管理器件计划将提高集成度并包含更多功能，不仅能支持电源管理，而且可以实现对电路板本身的管理。其功能将扩大到包括温度监控、风扇控制、NV错误日志、用户逻辑和系统接口。除了电源管理产品，该公司还提供一系列低功耗可编程逻辑器件，包括ispMACH 4000KZE超低功耗CPLD和LatticeECP3 FPGA系列，后者的成本与功耗大约只是其他具备SERDES功能的FPGA的一半。
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