穿戴式裝置和個人電子裝置產業蓬勃發展,市面產品的應用或使用有非常大的不同;這類多功能裝置旨在促進日常生活的便利與舒適,具備各種形狀、配色、尺寸及安全措施。裝置之間可能彼此殊異,卻都有一項共通點,那就是需要電池以及電池充電器。這類可攜式裝置的電源通常為內置電池,定期充電必須又快又有效率,使用者的充電體驗也必須符合安全、舒適且便利的要求。

本文比較線性充電器和切換式充電器兩者的利弊。使用不同拓樸為可攜式應用的電池組充電時,各自面臨了不同的挑戰。以下將說明線性和切換式拓樸之間的差異,並詳述各個拓樸如何滿足穿戴式裝置及個人電子裝置的需求,包括熱效能到成本等各項細節,例如尺寸、應用領域、功能及彈性、電磁干擾(EMI)、物料清單(BOM)數量、充電時間等等。最後,則是針對各類需求評估最為理想的充電器拓樸。設計人員應詳細瞭解充電器相關的系統層面知識,以利節省時間和成本。

電池充電器簡介

電池充電器一般分為切換式和線性兩種拓樸。圖1與圖2顯示各控制拓樸的基本架構。一如預期,兩種拓樸各具優缺點。

切換式充電器使用兩個功率FET(高側和低側)控制電感器的輸入電流,比線性充電器更為複雜,需要更大的應用面積和更多的BOM數量,亦需外部電感器和額外的電容器。但是,切換式充電器的效率和熱效能都優於線性充電器,也更適合需要高充電電流的應用。此外,切換式拓樸較富於彈性,因此更易於調整。

20160729TA01P1
圖1 切換式充電器功能區塊圖。



線性充電器使用傳輸電晶體,將電壓從變壓器電壓下降到電池電壓;這類線性充電器設計簡易,僅需小應用面積與較少BOM數量,可限於數個電容器和電阻器,無需電感器或額外的電容器。在高功率應用下,其效率和熱效能都低於切換式充電器。這類充電器所適用的低功率應用,對於尺寸、BOM和成本皆較為敏感。

如圖2所示,線性充電器將電池組和系統連接至裝置的相同VOUT接腳。此類非電源路徑架構提供較簡易的低成本解決方案,然而仍具有某些限制,例如可能非預期終止充電,或以過度放電的電池供系統運作。

20160729TA01P2
圖2 線性充電器功能區塊圖。



熱效能

許多穿戴式裝置必須接觸使用者的皮膚,配戴智慧型手錶時即為一例,若裝置溫度超過一定閾值就可能導致不適,故須控制使用期間與充電後的熱積存。因此,電池充電器的熱效能對於裝置充電十分重要,而且愈低愈好。

電池充電器的升溫乃是功率耗損所致,印刷電路板(PCB)即為明顯案例。切換式充電器的效率和功率損耗獲得良好控制,而線性充電器則取決於線性穩壓器壓降乘以傳送電流的數值。

電流降至300mA以下時,線性充電器的功率耗損將大幅減少;圖3為線性充電器與切換式充電器在300mA充電電流、4.0V電池電壓和5V變壓器輸入下的熱效能比較,兩種拓樸僅有 1℃的溫差。

20160729TA01P3
圖3 切換式充電器與線性充電器的熱效能比較。



圖3中兩種充電器的熱差異幾可忽略;但隨著功率提高,切換式充電器則愈顯理想。請注意,任何充電器的熱效能皆因諸多因素而異。例如,封裝類型將影響晶片的熱耗散、電源線配置、電路板層數、單層之銅含量、電路板尺寸、通路尺寸與數量以及電路板形狀等;又例如,四方平面無接腳(QFN)封裝的熱效能優於晶圓級封裝(WCSP)。

較多的PCB層數有助於促進功率消耗。如圖3(b)所示,整面電路板的熱耗散呈現均勻分配。此種電路板配置可促進IC熱耗散,進而降低裝置的峰值溫度。

應用面積與BOM成本

對於總預算面積有限的穿戴式裝置而言,充電器的應用面積十分重要;線性充電器設計較為簡易,裝置無需額外電感器或是複雜的電路。圖4比較切換式充電器與線性充電器的BOM數量,分別顯示兩種充電拓樸所需之電容器、IC、電阻器和電感器的最少數量。

20160729TA01P4
圖 4 線性充電器與切換式充電器的 BOM數量比較。



於每項比較類別之中,線性充電器解決方案均具有較低總零件數。然而,切換式充電器的應用面積在近幾年有所改善,BOM數量也大幅減少。雖然必須透過電感器進行切換,但高效能裝置的電感器還能再縮小,進而減少電路板面積。

BOM數量較低的線性充電器可增進應用面積的節約效益,未用的被動式元件可挪出空間供充電器使用;另如圖5所示,由於無需電感器,線性充電器得以節省更多空間。對於亟需空間的低功率應用而言,線性充電器應為較佳選擇;例如TI的bq24250即是一款高整合度切換式單節鋰電池(Li-Ion)充電器,其系統電源路徑管理IC的設計,是專門針對空間有限、需高容量電池的可攜式應用。

20160729TA01P5
圖 5 線性充電器與切換式充電器的應用面積。



電磁干擾

EMI的基本成分為電磁波,由兩種要素構成:電場(E-field)和磁場(H-field)波,兩者以正交方式對向運行,主要發射源之一為急遽改變的迴路電流,因電流通過迴路時會產生磁場,其規模與迴路面積呈比例關係。迴路面積的定義為PCB的走線長度乘以與接地平面的距離。

切換式充電器的電流快速改變,通常由內部MOSFET所致,而電壓轉換即會產生磁場,該電流迴路即因此產生電磁輻射。另一個傳導EMI的來源是切換轉換器輸出的漣波,通常出現於切換頻率的諧波。

EMI在PCB走線中以電子雜訊的形式出現,此類高頻雜訊不侷限於充電區域,因為電容和電感的干擾發生於平行走線之間,而雜訊又將傳播到所有PCB走線,加劇干擾程度。

固然有諸多技巧可用於降低切換式充電器的EMI,例如加入屏蔽、重新配置PCB、變更切換頻率等,卻都難免提高成本並增加應用面積。對於低雜訊的應用而言,使用線性充電器降低EMI才是最為安全簡便的解決方案。

設計彈性

若能賦予相同晶片不同用途,藉以滿足多種產品或世代的需求,就能直接節省可擴充系統的設計成本。利用已知的作業解決方案,不僅縮短了學習曲線,亦可避免非必要的風險。

市場正在促成新品種的電池充電器,同時整合多項功能,並具備不同的應用彈性。而I2C介面恰能提供這類彈性,因其可以針對個別應用的需求量身打造。在I2C模式下,設計人員可以設定不同的參數,例如充電電流、輸入電流上限、調變電壓和終止電量。德州儀器推出多款切換式充電器,皆能支援各種充電參數的I2C匯流排控制。

切換式充電器素以功能豐富著稱。早期的線性充電器欠缺彈性,然而新世代線性充電器可藉由外部元件提供編程功能。

充電時間

鋰電池的充電週期主要有三個階段:預充電(涓流)、快速充電(恆定電流)和漸減(恆定電壓);而市面上許多充電器的階段間轉換並不理想,畢竟電壓跟電流都不該予以驟然大幅轉換。TI 針對切換式充電器的充電週期開發充電時間最佳化技術,可於一定充電率之下縮短充電時間,效果優於其他解決方案。

此外,切換式充電器能夠承受更高的變壓器電壓,提高充電效率而不影響熱效能的表現。反觀,線性充電器通常侷限於低輸入電壓的應用。基於上述兩項特性,切換式充電器較線性拓樸更能縮短充電時間。

結語

對於低功率應用而言,線性充電器和切換式充電器均為理想選擇。線性充電器設計較為簡易且更具成本效益,無需電感器或切換電路,因此沒有EMI的問題。另一方面,切換式充電器效率較高,熱效能較出色。其具備較多功能,應用彈性有所提升;隨著輸入電壓範圍增大,充電時間亦獲縮短。總結來說,系統設計人員必須權衡各種拓樸的利弊,方能滿足理想終端產品的需求。