從健身與健康追蹤器、智能手表到虛擬現(xiàn)實(shí)平視顯示器，設(shè)計(jì)人員在不斷尋求新的創(chuàng)新方法來(lái)盡可能降低電流消耗、減少系統(tǒng)活動(dòng)并保持系統(tǒng)功能處于待機(jī)或休眠模式。 同時(shí)，他們需要選擇具有最小漏電流的設(shè)備或使用負(fù)載開關(guān)來(lái)斷開不需要的子系統(tǒng)，以降低待機(jī)模式下的功耗。

在此過(guò)程中，選擇適當(dāng)?shù)碾姵爻潆姽芾硐到y(tǒng)將起到核心作用。 通過(guò)集成關(guān)鍵電池充電功能、使用各種尺寸和電容的電池、提供非常低的靜態(tài)電流，并增加有助于將輕載能效擴(kuò)展到更低電流水平的電源管理功能，最新一代電池充電 IC 可幫助設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)，并最大限度延長(zhǎng)電池壽命。

復(fù)雜的充電周期

雖然鋰離子電池相對(duì)于替代型電池化學(xué)材料擁有巨大的優(yōu)勢(shì)，包括較高的電池密度和較低的自放電率，但也有自己獨(dú)特的不利因素。 鋰離子電池對(duì)過(guò)度充電高度敏感。 超過(guò)特定值的電壓會(huì)對(duì)材料造成壓力并會(huì)縮短電池壽命。 這種限制不僅需要有更復(fù)雜的充電周期，如果每個(gè)電池單元充電超過(guò) 4.2 V，還會(huì)造成安全風(fēng)險(xiǎn)。

用于對(duì)鋰離子電池充電的理想恒流恒壓 (CCCV) 充電規(guī)范會(huì)給電池提供固定或恒定的電流，直到電壓達(dá)到 4.2 V（圖 1）。 在此階段，電池電壓以幾乎以線性方式增長(zhǎng)。 當(dāng)電壓達(dá)到 4.2 V 時(shí)，系統(tǒng)會(huì)切換到恒壓模式。 在此階段，在電流緩慢下降時(shí)，電池電壓不允許超過(guò) 4.2 V。 當(dāng)未施加電流時(shí)電池達(dá)到 4.2 V，則被視為已充滿電。

圖 1： 在實(shí)踐中，供應(yīng)商會(huì)調(diào)整預(yù)處理階段，并在 CCCV 充電周期中增加熱調(diào)節(jié)步驟和時(shí)間限制，以保護(hù)電池。 （圖片來(lái)源：batteryuniversity.com）

實(shí)際上，大多數(shù)充電器會(huì)對(duì)理想充電規(guī)范進(jìn)行一些修改，以保護(hù)電池免于潛在的故障情況。 例如，為了避免為短路或受損電池充電而造成損壞，充電器開始充電時(shí)，會(huì)先進(jìn)行小型充電測(cè)試，而不是以完全的快速充電速率運(yùn)行。 這樣充電器可以喚醒電池，并確定電池的內(nèi)部安全開關(guān)是否已跳閘。 通常，該預(yù)充電電流只占正?？焖俪潆婋娏鞯囊恍〔糠郑s 10%）。

一旦電池電壓超過(guò) 3.0 V，即可以認(rèn)為以最大快速充電速率充電是安全的。 當(dāng)電池能以預(yù)定義的低電流保持 4.2 V 時(shí)，充電過(guò)程通常會(huì)結(jié)束。 但是，充電器不允許電流無(wú)限地逐漸減小。 相反，充電會(huì)在預(yù)定義的電流水平終止，并且電池電壓下降到約 4.16 V 至 4.17 V，略低于完全充電水平。

充電器 IC 也包括熱調(diào)節(jié)特性，在電池電壓顯著低于輸入源時(shí)控制過(guò)熱。 利用此功能，只要電池不超過(guò)最高溫度，充電器就允許電流和快充過(guò)程繼續(xù)。 此外，可以基于監(jiān)控或估測(cè)電池組溫度的傳感器來(lái)禁用整個(gè)充電過(guò)程。

設(shè)計(jì)人員需要一種快速給電池充電的解決方案，但他們還需要在電池中儲(chǔ)存盡可能多的能量。 他們可以使用充電器 IC 實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。充電器 IC 不僅可提供非常精確的終止電流，還可在電流為 1 mA 或更低時(shí)可靠地終止。

可穿戴式產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員應(yīng)該在什么時(shí)候使用線性或開關(guān)式充電器？ 若應(yīng)用需要低電流、小基底面和相對(duì)簡(jiǎn)單的解決方案，線性充電器通常是更好的選擇。 線性充電器通?？商峁└?jiǎn)單的解決方案，所需的應(yīng)用面積、物料清單 (BOM) 以及外部元器件均更少。 對(duì)于需要約 1 A 以上額定電流的應(yīng)用，開關(guān)式充電器具有更高的能效，能更好地管理緊湊型可穿戴式解決方案中的熱問(wèn)題。 此外，大多數(shù)情況下，轉(zhuǎn)換開關(guān)可提供更多特性和更好的設(shè)計(jì)靈活性。

使用主機(jī)控制的架構(gòu)可提供更多選擇。 在這種情況下，系統(tǒng)主機(jī)處理器管理電池充電過(guò)程，而充電器執(zhí)行所有基本電源轉(zhuǎn)換和監(jiān)控功能。 設(shè)計(jì)人員一般來(lái)說(shuō)要權(quán)衡在系統(tǒng)層面進(jìn)行的其他軟件開發(fā)投資，以實(shí)現(xiàn)通過(guò)軟件調(diào)節(jié)充電電壓、電流限值、定時(shí)器設(shè)置和其他參數(shù)的能力，并深入了解故障情況以及獲得更高的靈活性，包括采用不同電池類型的能力。

集成解決方案

對(duì)于嘗試同時(shí)最大限度降低功耗、延長(zhǎng)電池壽命、縮小產(chǎn)品基底面的設(shè)計(jì)人員，高度集成的電池充電器解決方案，如 Texas Instruments 的 bq25120，可提供他們所需的許多關(guān)鍵功能。 bq25120 集成了線性充電器、可配置 LDO、負(fù)載開關(guān)、降壓轉(zhuǎn)換器、按鈕控制裝置和電池電壓監(jiān)視器。 為了支持“長(zhǎng)期始終可用”功能，bq25120 提供低至 700 nA 的靜態(tài)電流，降壓轉(zhuǎn)換器在 1.8 V 下工作。電池管理系統(tǒng)還支持從 3.6 V 至 4.65 V 的各種電池，以及從 5 mA 到 300 mA 的快速充電電流。 設(shè)計(jì)人員可以使用可配置負(fù)載開關(guān)/LDO 來(lái)關(guān)閉不常用的功能，例如無(wú)線電或顯示器，從而進(jìn)一步最小化電池消耗。 bq25120 的待機(jī)靜態(tài)電流為 50 nA，可幫助設(shè)計(jì)人員延長(zhǎng)電池的存放壽命。

圖 2： 除了集成可穿戴應(yīng)用的許多關(guān)鍵功能外，通過(guò)提供從 5 mA 到 300 mA 的編程功能，Texas Instruments 的 bq25120 電池管理解決方案還支持各種電池和充電規(guī)范。 （來(lái)源： Texas Instruments）

高度精確地終止充電有助于最大限度地向電池提供能量。 bq25120 具有低至 500 µA 的終止充電功能，可在充電周期結(jié)束時(shí)最大限度地向電池提供能量。

在過(guò)去幾年中，可穿戴解決方案設(shè)計(jì)人員紛紛轉(zhuǎn)向采用無(wú)線充電方案為可穿戴解決方案供電。 圖 3 中的框圖描述了針對(duì)使用 Texas Instruments bq25120 充電器和 bq51003 集成接收器的可穿戴應(yīng)用可擴(kuò)展電源管理解決方案的設(shè)計(jì)。 該電路可針對(duì)各種應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化，包括活動(dòng)監(jiān)視器和手表。 bq25120 上的 I2C 接口便于通信，并簡(jiǎn)化了關(guān)鍵參數(shù)的配置。

圖 3： 帶 bq51003（左上）無(wú)線電源接收器的 bq25120（頂部中心）充電器為可穿戴設(shè)計(jì)提供可擴(kuò)展的電源管理解決方案，包括監(jiān)視器和手表。 （圖片來(lái)源： Texas Instruments）

若設(shè)計(jì)人員需要為 MCU、無(wú)線電或傳感器提供第二個(gè)不同電壓的高效率電源軌，那么 TPS62743 等獨(dú)立式低功耗降壓轉(zhuǎn)換器可提供與 bq25120 類似的性能，并且還可在 1.2 V 到 3.3 V 之間選擇八個(gè)不同的用戶可選輸出電壓。

電路保護(hù)

確保高可靠性和安全性也是在為可穿戴應(yīng)用選擇任何電池充電解決方案時(shí)需要考慮的關(guān)鍵因素。 Diodes Incorporated 近期開發(fā)了一款簡(jiǎn)單的解決方案，它集成了共漏極雙 N 溝道 MOSFET 的單芯鋰離子電池保護(hù)芯片。 由此而來(lái)的 AP9211 系列具有各種保護(hù)功能，包括過(guò)充電（電壓和/或電流）、過(guò)放電（電壓和/或電流）和負(fù)載短路檢測(cè)。

AP9211 持續(xù)準(zhǔn)確地監(jiān)控電壓和電流，能快速斷開 MOSFET，以防潛在的損壞情況。 采用高壓電壓 CMOS 工藝 (30 V) 使得設(shè)備耐受浪涌電壓。 同時(shí)，內(nèi)置時(shí)間延遲功能有助于保護(hù)外部元器件，并降低物料清單成本。

在采用了 AP9211 的典型設(shè)計(jì)中，R1 和 C1 用于穩(wěn)定供電電壓，R2 連接在 P- 到 VM 傳感端子之間，以監(jiān)控充電器狀態(tài)和充/放電電流（圖 4）。 若電池或充電器反向連接，R1 和 R2 還用作限流電阻器。

圖 4： Diodes Incorporated 的 AP9211 可為單芯鋰離子電池組提供精簡(jiǎn)的保護(hù)解決方案。 上面描述了典型應(yīng)用電路。 （來(lái)源： Diodes Incorporated）

AP9211 有助于通過(guò)提供低靜態(tài)電流（正常情況下 3 µA，斷電時(shí) 0.1 µA）來(lái)延長(zhǎng)電池壽命，低靜態(tài)電流能最大限度地減少電池放電。 該設(shè)備的扁平 (< 0.6 mm) 封裝為可穿戴計(jì)算設(shè)備設(shè)計(jì)人員提供更纖薄的保護(hù)電路板設(shè)計(jì)，并能在給定電池尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)更大的容量。

結(jié)論

隨著可穿戴計(jì)算設(shè)備市場(chǎng)繼續(xù)推陳出新、發(fā)展成熟，我們可以預(yù)期更高級(jí)的功能，因此電池運(yùn)行時(shí)間將成為日益重要的差異化因素。 對(duì)于即將到來(lái)的新型可穿戴應(yīng)用和設(shè)計(jì)浪潮，為特定應(yīng)用選擇最佳電池充電解決方案將在市場(chǎng)成敗中扮演重要角色。