【导读】如今移动电源追求愈来愈大的电池容量与轻薄小巧的外型，但其充电时间长短和可释放总电量多寡也同样是消费者关心的重点。如何设计充电时间短、转换效率高的移动电源电路呢？本文将为大家介绍一种实现小体积、高效率的移动电源电路设计方案。
一、移动电源的三种电路设计方案
首先我们来看一下移动电源的电路设计方案有哪些？目前移动电源的电路方案大致上可分为三种：
第一种方案是Charger IC + Boost IC，此种方案利用Charger IC对移动电源的锂电池充电，Boost IC对移动装置放电，如图1所示。
第二种方案是MCU + Charger IC + Boost IC，除了第一种方案的部分外，多了MCU对锂电池及输入输出电压作侦测，此种方案目前比较常见，如图2所示。
第三种方案则是MCU + Combo IC，此种方案是将Charger IC及Boost IC整合成一颗IC，可以减少零件的数量，节省PCB空间，如图3所示。
图1 移动电源电路设计方案： Charger IC + Boost IC 方案。
图2 移动电源电路设计方案：MCU + Charger IC + Boost IC 方案。
图3 移动电源电路设计方案：MCU + Combo IC 方案。
而本文将针对目前比较常见的第二种方案做详细介绍。下面我们以沛亨半导体所开发的AIC6511及AIC3420作为设计范例，提供给读者参考。
从上一节可以得知，一个完整的移动电源电路包含了电池充电管理IC、升压转换器IC及MCU，每个部分都会影响移动电源的整体效能，所以选用适当的IC是非常重要的。图4所示为本文所要介绍的移动电源电路，主要由AIC6511锂离子电池充电转换器、AIC3420升压转换器及MCU所组成。底下将针对所提出的移动电源电路做详细的说明。
图4 移动电源电路。
Ａ. 锂离子电池充电转换器
锂离子电池是目前应用最广泛的可重复充电式电池，可将单颗锂电池用于低功率产品，也可以将多颗锂电池串并联得到更高电压与容量，例如移动电源就是将多颗锂电池并联来获得高容量。锂电池具有能量密度高、自放电率低、无记忆效应、寿命长、重量轻等优点，非常适合做为便携式产品的电力来源。
锂电池充电IC分为线性式及切换式两种，线性式充电IC的成本低，IC接脚数较少，只需要少数的被动组件。然而线性式充电IC有较大的功率损耗，若设计不好常会导致IC温度过高，且一般移动电源大多使用散热较差的塑料外壳，使得线性式充电IC无法提供较大的充电电流，因此线性式充电IC通常比较适合低容量锂离子电池应用。若希望在短时间之内将电池充饱，则必须要提高充电电流，此时可以考虑应用切换式充电IC。切换式充电IC利用开关的高频切换来达到能量的传递，可提供较大的充电电流，且具有高转换效率不会有过热现象，适合高容量电池的充电应用。
充电过程中，当电池电压上升到4.2V时，要立即停止充电，以避免电池过充而产生危险，而当电池放电时，电池电压如果降至2.5V以下，要立即停止放电，以免电池过放而减少电池的使用寿命。除此之外，锂电池在应用上，还会加上短路保护电路，防止锂电池因短路而造成危险。
锂电池对充电要求很高，需要精密的充电电路以保证充电的安全，尤其要求终止充电电压精度在额定值的±0.5%之内。目前锂电池充电最常采用三段充电法，即预先充电模式(Trickle Charge Mode)、定电流充电模式(Constant Current Charge Mode)、定电压充电模式(Constant Voltage Charge Mode)。充电IC在充电前会侦测电池的状态，若电池电压大于3V，将以定电流充电模式充电；若电池电压低于3V，则以预先充电模式(约10%的定电流充电模式充电电流) 充电，到接近终止电压时，改为定电压模式充电，此时电池电压几乎不变，但充电电流会持续下降，当充电电流降到某一值时(约10%的定电流充电模式充电电流)，充电电流会被关闭，完成充电。图5所示为采用三段充电法的锂电池充电特性曲线。
图5 采用三段充电法的锂电池充电特性曲线。
Ｂ. 锂离子电池充电转换器
AIC6511是一个高度整合的切换式锂离子电池充电管理IC，具有高精度的电流及电压调节能力，适合使用在单颗锂电池的充电应用，当电池电压接近输入电压时，将会进入责任周期为100%的工作模式持续对电池进行充电，而其本身高达1.6MHz的切换频率，将有助减少外部零件的尺寸。此外，其也具备提供充电状态指示及电池移除侦测机制，支持USB mode及AC Adapter mode两种输入模式，最大可以输出2A的充电电流，充电电流可由外部电阻来决定。预先充电电流(Trickle Charge Current)可以由下列公式计算：
定电流充电电流(Constant Current Charge Current)可由下列公式计算：
当使用USB电源做为输入时，则可对输入电流做限制使输入电流可以低于USB电源所能提供的电流，避免USB电源进入过流保护，输入电流限制设定值的计算公式如下：
此外，安全定时器(Safety Timer)，可避免因电池损坏时充电时间过长，造成危险。只要充电时间达到设定的安全计时时间，即便电池还未达到终止电压，充电IC也会关闭充电电流， 停止充电。安全计时时间可以透过电容C5来设定，预先充电(Trickle Charge)模式下之安全计时时间可由下列公式计算：
定电流充电(Constant Current Charge) 模式下之安全计时时间则可由下列公式计算：
为避免电池高温充电，并提高安全性，IC透过负温度系数(NTC, Negative Temperature Coefficient)热敏电阻来侦测电池温度，当温度过高或过低时，IC会马上终止充电，只有在电池温度维持在安全范围内(通常是0～45℃)时，才会对电池进行充电。而为了防止电池放电到输入端，内建的休眠模式(Sleep Mode)功能，当输入端电压低于电池电压时， P-channel MOSFET Power Switch将会关闭以防止电池对充电IC或输入端进行放电。
另外，短路保护(Short Circuit Protection)功能、过电流保护(Over Current Protection)功能及过温度保护(Over Temperature Protection)功能，当输出发生短路时，短路保护功能启动，电感电流会被限制住且切换频率也会降低以减少损失；IC本身也会侦测流经内部功率开关的电流，当功率开关的电流过大时，过电流保护功能启动，限制住功率开关的电流不再往上增加，以保护内部的切换开关；此外，当IC结面温度达到150oC时，过温度保护功能将会启动，IC会停止充电，直到IC温度降至120oC，才回复充电。
C. 升压转换器与MCU
AIC3420是一个具轻载高效率的同步升压DC-DC转换器IC，最低输入启动电压为0.9V，可以使用单颗锂电池做为输入电源，最大输出电流可达2.1A，适合较大电流的应用。当负载操作在轻载时，IC会切换至PSM (Pulse Skipping Mode) 模式降低待机的功率损失，提升轻载效率。True Shutdown功能，使IC 进入Shutdown模式时，输出电压降为0V。而零电流侦测(Zero Current Detection)功能让电感电流不会有倒灌现象，可大幅改善轻载效率，最高效率可达94%，对移动电源来说可以更有效率的放电。
另外，柔性启动(Soft Start)功能以限制启动时输出电压的过冲(Overshoot)及涌浪电流(Inrush Current)，避免IC及零件的损坏。而AIC3420本身也具有短路保护、过电流保护、过温度保护及过电压保护功能。
本文所介绍的移动电源电路中，MCU的主要功能为输入电压侦测、输出电压侦测、电池电量状况显示以及输出过电流保护等。电路中，LED将显示电池的电量，可以让使用者知道电池的电量状况。而当输入及输出电压过高或过低时，MCU会送出讯号关闭IC；另外，当发生输出过电流时，MCU也会关闭IC来保护电池及IC。
结论
便携式产品的蓬勃发展，使得移动电源的功能及规格要求也日渐提升，因此如何有效率的充放电也成为各家厂商发展的主流。由于切换式充电器在应用上较线性式充电器广泛，也具有更高转换效率，适合高容量锂电池的应用。因此本文提出一个以切换式充电IC来取代线性式充电IC的移动电源方案，来提高充电电流，缩短充电时间，并使充电电路几乎不会有过热的问题发生。
