艾為線性充電芯片的功能和設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

隨著科技的發(fā)展，各類電子產(chǎn)品逐漸走近我們的生活。大家對(duì)電子產(chǎn)品的需求也逐漸從有線電子產(chǎn)品演變?yōu)闊o線電子產(chǎn)品，如無線鼠標(biāo)，無線鍵盤，無線耳機(jī)等。

無線電子產(chǎn)品應(yīng)用越來越廣，也伴隨著充電的功能和性能需求越來越強(qiáng)。在各類小型無線電子產(chǎn)品中，線性充電架構(gòu)以簡單可靠、低噪聲、小尺寸、低成本等優(yōu)點(diǎn)，受到最多的青睞。

線性充電定義

線性充電通過線性調(diào)節(jié)器來控制充電電流，使電流直接流經(jīng)調(diào)節(jié)器進(jìn)入電池。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是電路簡單、成本低且噪聲小，適用于小容量電池充電應(yīng)用場景。為增加大家對(duì)線性充電的認(rèn)識(shí)，本文將介紹線性充電的原理、艾為線性充電的功能性介紹和線性充電的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。

線性充電原理

圖1 艾為線性充電框架圖

線性充電框架圖如圖1，當(dāng)IN端輸入電壓(常規(guī)為5V)，通過Q1A和Q1B管降壓到SYS端。當(dāng)SYS端電壓高于BAT端，可通過軟件打開Q2A管，從SYS端給BAT端電池充電。

圖2 充電曲線

線性充電的充電曲線如圖2，可大致分為：預(yù)充電、恒流充電(CC)、恒壓充電(CV)、充電完成、自動(dòng)復(fù)充階段。以下將簡單介紹各階段及其特點(diǎn)。

預(yù)充電：在進(jìn)入充電流程后，芯片會(huì)判斷電池電壓。當(dāng)電池電壓小于設(shè)定的VBAT_PRE(兩檔可調(diào)，2.8V/3V)，芯片進(jìn)入預(yù)充電階段。此時(shí)充電電流較小(可調(diào)，1~31mA，2mA/step)，以保護(hù)電池在低電量下不會(huì)由于大充電電流而誤觸發(fā)保護(hù)或壽命衰減。

恒流充電(CC)：當(dāng)芯片判斷電池電壓在VBAT_PRE與VBAT_REG之間時(shí)，芯片處于恒流充電階段。此時(shí)充電電流較大，最大可配置到500mA。在該階段中，充電電流保持不變，電池電壓逐步上升。

恒壓充電(CV)：當(dāng)芯片判斷電池電壓達(dá)到VBAT_REG后，芯片處于恒壓充電階段。此時(shí)電池電壓保持不變，充電電流逐漸減小(電流變化過程由電池控制，不受芯片控制)。

充電完成：在恒壓充電階段，當(dāng)充電電流降低至ITERM(可調(diào)，1~31mA，2mA/step)，芯片進(jìn)入充電完成流程，而后不再對(duì)電池充電。

自動(dòng)復(fù)充：在充電完成后，當(dāng)芯片檢測到跌落至VBAT_REG-VRECH且VIN在位，將觸發(fā)自動(dòng)復(fù)充機(jī)制，自動(dòng)恢復(fù)充電。

線性充電優(yōu)勢(shì)

在很多場景中需要用到線性充電，主要因?yàn)樗哂幸韵聝?yōu)勢(shì)：

01 簡單可靠

1. 電路結(jié)構(gòu)簡單，線性充電芯片通常由較少的電子元件組成，設(shè)計(jì)相對(duì)簡單，降低了電路的復(fù)雜性和成本。

2. 穩(wěn)定性高，工作過程中沒有復(fù)雜的開關(guān)動(dòng)作，輸出電壓較為穩(wěn)定，不易產(chǎn)生電磁干擾，對(duì)周圍電子設(shè)備的影響較小。

02 低噪聲

1. 運(yùn)行安靜，在充電過程中不會(huì)產(chǎn)生開關(guān)噪聲，特別適用于對(duì)噪聲敏感的應(yīng)用場景，如音頻設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備等。

2. 減少干擾，不會(huì)干擾其他電子元件的正常工作，保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

03 小尺寸

占用空間小，由于電路簡單，線性充電芯片可以實(shí)現(xiàn)小型化設(shè)計(jì)，適合集成到空間有限的電子設(shè)備中，如便攜式設(shè)備、可穿戴設(shè)備等。

04 成本效益

與一些復(fù)雜的充電技術(shù)相比，線性充電芯片的成本較低，對(duì)于成本敏感的應(yīng)用場景具有很大的吸引力。

艾為線性充電的性能介紹

艾為線性充電芯片不僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的充電，同時(shí)還集成各種保護(hù)機(jī)制和檢測機(jī)制。下面以艾為線性充電芯片AW32012CSR為例，簡單介紹艾為線性充電芯片的功能：

電源路徑管理

圖3 電源路徑管理功能圖示

電源路徑管理功能如圖3。當(dāng)VSYS端負(fù)載抽電流時(shí)，優(yōu)先從VBUS取電，當(dāng)VBUS不足以提供所需電流時(shí)，Q2管切換為從電池端補(bǔ)充取電。VBUS在位時(shí)，VSYS默認(rèn)有輸出電壓。當(dāng)終端客戶插入適配器后，系統(tǒng)可被立刻打開，在適配器支持系統(tǒng)負(fù)載后有額外輸出能力，可以分配到給電池充電。

動(dòng)態(tài)電源管理

對(duì)電源VBUS的跌落保護(hù)。為了保證輸入電壓不會(huì)跌落到設(shè)定值(0x00寄存器bit7~bit4)，在接近設(shè)定值(約200mV)時(shí)，開始降低充電電流以保證VIN電壓不會(huì)繼續(xù)跌落。

如果充電電流降低到0，VBUS仍低于設(shè)定值，芯片會(huì)降低VSYS電壓。當(dāng)VSYS電壓降低到VBAT-30mV，會(huì)進(jìn)入電池供電模式，VSYS負(fù)載電流由VIN和VBAT共同提供。當(dāng)VSYS端負(fù)載電流減小，VSYS爬升到>VBAT+20mV，退出電池供電模式。

船運(yùn)模式

進(jìn)入船運(yùn)模式后，切斷VSYS端供電，同時(shí)關(guān)閉芯片內(nèi)部分模塊，令IC進(jìn)入超低功耗模式。保證即使整機(jī)遠(yuǎn)航運(yùn)輸或者倉庫長時(shí)間保存也不會(huì)損失過多電池電量。

NTC保護(hù)功能/PCB_OTP保護(hù)功能

NTC保護(hù)功能

硬件上通過查找NTC電阻表，分別將高低溫度下的電阻值代入到計(jì)算公式中即可獲得實(shí)際電路中需要的RF1和RF2，只有在這個(gè)高低溫度范圍內(nèi)IC會(huì)進(jìn)行充電。軟件上需要將對(duì)應(yīng)寄存器位開啟，即打開NTC功能。若觸發(fā)NTC保護(hù)，芯片將關(guān)閉Q2管，關(guān)閉充電路徑和電池放電路徑，此時(shí)VSYS僅通過VBUS供電。

PCB_OTP保護(hù)功能：

原理上與NTC類似。為對(duì)PCB的溫度檢測。溫敏電阻設(shè)計(jì)在PCB板上。若觸發(fā)PCB_OTP保護(hù)，芯片將關(guān)閉Q1B和Q2管，此時(shí)VSYS電壓無法供應(yīng)，整機(jī)關(guān)機(jī)，以防止整板繼續(xù)升溫。

INT中斷引腳功能

復(fù)位功能：

1、長下拉INT引腳可短暫斷開VBAT與VSYS(即Q2管)，使得VSYS系統(tǒng)端電壓掉電重啟。 2、在船運(yùn)狀態(tài)下，長下拉INT引腳可退出船運(yùn)。

狀態(tài)指示功能：

芯片在出現(xiàn)VBUS接入狀態(tài)和充電狀態(tài)改變時(shí)，或出現(xiàn)以下表格中的異常狀態(tài)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生256us的低電平中斷脈沖輸出。具體異常狀態(tài)如下表：

表1 異常狀態(tài)

表2 異常狀態(tài)

Switch mode模式

在VBAT對(duì)VSYS供電狀態(tài)下，進(jìn)入switch mode，可關(guān)掉部分保護(hù)功能，將芯片的靜態(tài)功耗降低至0.7uA(type)以下。

通過VBUS復(fù)位VSYS

在系統(tǒng)主控有宕機(jī)風(fēng)險(xiǎn)，而由于整機(jī)設(shè)計(jì)暫無法使用INT引腳復(fù)位VSYS(如未將INT引腳引出作為物理按鍵等場景)時(shí)，可通過對(duì)AW32012的VBUS發(fā)送一定要求的波形，使VSYS電壓復(fù)位，從而復(fù)位系統(tǒng)主控。

圖4 VBUS復(fù)位VSYS功能圖示

設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

關(guān)于線性充電外圍原理圖設(shè)計(jì)，注意事項(xiàng)如下：

圖5 線性充電外圍原理圖

關(guān)于線性充電外圍PCB設(shè)計(jì)，注意事項(xiàng)如下：

圖6 線性充電外圍PCB設(shè)計(jì)

圖7 線性充電原理圖設(shè)計(jì)圖示

線性充電應(yīng)用場景及艾為線性充電產(chǎn)品介紹

線性充電應(yīng)用場景

線性充電IC適用于小電池容量的便攜式設(shè)備和可穿戴設(shè)備。如頭戴式/TWS藍(lán)牙耳機(jī)、藍(lán)牙鍵盤、智能手表、智能手環(huán)、智能眼鏡、手寫筆等。

圖8 線性充電IC常見應(yīng)用場景

以智能手表為例，線性充電在整體方案中的應(yīng)用位置如圖7所示。

圖9 智能手表應(yīng)用框架及線性充電應(yīng)用位置

艾為線性充電產(chǎn)品介紹

目前艾為擁有帶路徑管理和不帶路徑管理的線性充電產(chǎn)品，適用于不同的應(yīng)用場景。對(duì)于需要路徑管理的充電場景，推薦選用AW32012CSR該款產(chǎn)品。對(duì)于不需要路徑管理的充電場景，推薦使用AW32005/AW32006系列產(chǎn)品。

圖10 線性充電IC特色產(chǎn)品

圖11 線性充電IC產(chǎn)品列表

圖12 線性充電IC產(chǎn)品列表

圖13 線性充電IC產(chǎn)品列表