简介
手机、便携式媒体播放器、便携式导航工具及蓝芽 (Bluetooth) 耳机等新一代手持装置不断缩小体积外型，同时加强效能与功能。就充电管理而言，这些强化的功能使得设计工程人员必须同时顾及用户的便利性与体验感受，以及整体充电时间与成本的均衡。然而，这是相当艰巨的工作。较进阶的功能一般需要较高的电池容量，才能满足较高的电源需求。同时，用户需要较快的充电速率以便将充电时间减至最低，并且需要较简便的装置充电方法。
因此，为了达到整体系统效能的优化，设计人员逐渐着重于开发新的充电管理技术。本文将说明目前的趋势及应用。
开关模式充电拓朴
长久以来，手持装置都使用线性充电拓朴，此方法能够为设计人员达到多项优点，例如低实作成本、设计简便性，以及不需高频率切换的“无噪声”运作。然而，线性拓朴会造成系统的功耗，尤其较高的电池组容量以及输入与电池电压之间的高差动电压，会造成充电速率增加。如果设计人员无法管理设计的散热问题，这会是重大的缺陷。
另一项重大缺陷是拿 PC 的 USB 端口当作电源。现今许多便携设备都提供 USB 的充电方式，其充电速率可达到 500mA。由于线性充电拓朴的效率不彰，因此 PC 的 USB 能够供应电池充电的电量不多，导致电池充电时间加倍延长。
开关模式拓朴便因此应运而生，其主要优点在于效率的提高。与线性稳压器不同的是，电源开关 (或开关) 是在饱和区域中运作，因此可有效降低整体漏失。降压式转换器功率损耗的主要来源包括 (电源开关中的) 切换和传导损耗，以及滤波器电感中的直流电和交流电损耗。根据设计参数，这些应用的效率经常超过 95%。
大多数的人听到开关模式，总是联想到大型 IC、大型功率 FET (PowerFET) 和超大型电感。虽然这类应用能够处理数十安培的电流，但是手持装置的新一代解决方案并非如此。新一代的单颗锂离子电池开关模式充电器可达到最高的芯片整合度，并可利用 1MHz 以上的频率，将电感及电容的尺寸缩至最小[1] (见图 1)。整合高位及低位功率 FET 的芯片尺寸小于 4 mm2。此解决方案在 3MHz 切换频率下，需要宽 2mm、长 2.5mm、高 1.2mm 的小型 1uH 芯片电感。
无线 (非接触式) 充电
无线电源已经行之有年，而且许多方面的应用都采用这种方法。举例来说，在工业应用中，感应加热确实能够在生产制造过程中熔化大量金属。在消费性产品中，多年来无线电源也已经成功应用于电动牙刷及其他小型个人照护产品的充电。然而，对于手机、便携式媒体播放器、蓝牙耳机等新一代便携式应用的充电而言，则仍在初期阶段，这其中的因素包括：
● 先前使用于消费性产品市场 (例如电动牙刷) 上的技术并未达到最佳的效率或速度。这些充电器一整晚只能够低速充电，而且特殊的体积外型只适用于特定的终端设备。
● 并非大多数的消费者都拥有各式各样的便携设备，而且这类装置都有各自的电源线，且大多具备专属连接器。
不过，目前一切正在改观。进行便携设备充电时，大多数的消费者开始希望透过无线数据传输的方式，达到一致的便利性。如此的概念看似简单，但是对于设计解决方案及接受度而言却是困难重重：
● 不同于电动牙刷，新的便携设备必须以标准的快速充电速率进行充电，也就是说，一小时左右要达到 70% 的容量。如此一来，解决方案就必须达到极高的功耗效率。
● 各个便携设备使用不同大小的电池及充电速率 (也就是额定功率)。因此，“一种大小全部适用”的规则无法成立。无线充电器需要有智能功能可进行辨识及自行调整。
● 消费者安全性相当重要，因此，无线充电器不仅必须区分硬币与手机的不同，而且必须确保在任何运作情况下都不会造成危险。
● 最后，消费者需要为“便利性”付出代价，因此，在使用与操作上，无线充电器必须比最简便的有线充电器更简易。
目前有多种因应这些问题的解决方案正在开发中，由 Fulton Innovation 开发的“电子耦合”技术便是其中一例 (见图 2)。此一技术采用动态式搜寻谐振的感应耦合式电路，因此主电源电路能够按照装置的需要进行运作，进而大幅提升电源传输及转换效率。此一技术能够与个别装置分别进行实时通信，因此可判别电源需求及其他因素，例如电池或装置的使用寿命及其充电生命周期，进而供应最佳电源量至装置，并维持装置的峰值效率。
USB 充电
如前所述，个人计算机及笔记本电脑的 USB 电源端口逐渐应用于数据传输及手持装置充电。虽然这为使用者带来另一种方便的充电方式，不过也使得设计工程师面临新的挑战。
大多数的 USB 集线器能够供应高达 500mA 的电流，这足以用来进行便携设备的电池充电。不过，便携设备需要一个有效的方法来侦测 USB 端口、可用的电量，以及充电电路的有效控制，以达到 USB 规格的要求。另外，当电池组的电量完全用尽时，此装置也必须因应系统启动的问题。
USB 型充电器至少需要提供下列功能：
● 可选式电流量
在低功率模式下，USB 端口或许只能够供应 100mA 的电流。为了适用于所有的应用，充电器的配置应该能够支持 100mA 或 500mA 的电流。
● 电池电量完全用尽或即将用尽时的系统启动
电池组电量完全用尽时，需要几分钟的时间进行充电，电池的电压才会升高到系统得以启动的地步。若要使系统实时启动，充电器必须提供智能型电源路径管理，尽可能地传送可用的电流，以供应启动系统所需的充足电流。任何剩余的电流都可用于电池充电。对电量即将用尽的电池进行充电时，电源路径管理电池充电器可让系统同时运作。
● 涌入电流控制
USB 规格支持高达 10uF 以进行硬启动 (hard-started)，当电流超过 100mA 时，这能够设定 50uC 做为涌入充电值上限。为了达到这个规格，充电器装置必须提供输入电流控制。
● 防护不良的 USB 电源
充电器装置必须能对设计不良或配置不正确的 USB 端口做出防护。如果输入电压 (也就是 USB 端口的输出) 开始下降或减少，“输入动态电源管理”功能可抑制充电电流。
图3显示 USB 兼容充电解决方案的范例[2]。如需最新版的电池充电标准，请参阅 http://www.usb.org/developers/devclass_docs。
电池充电管理依然重要
不论使用的拓朴或连接器属于何种类型，都需要适当的电池管理技术。这类技术可确保每次的电池充电都能达到电池的最大容量，而且不损及消费者安全或电池的周期寿命。
同样地，锂离子电池等其他类型的充电电池必须经过调整及配置，才能进行快速充电。如果电池的电压或温度超过限度，就不能进行快速充电。基于安全考虑，温度过高 (一般超过 45℃) 的电池必须等到电池降温到正常的运作温度范围才能继续充电。为了调节温度过低 (一般低于 10℃) 或过度放电的电池 (一般各电池低于 3V)，需要少量的预先充电电流。
经过调整及预先调节 (见图 4) 后，锂离子电池会先以 1C (含) 以下的电流进行充电，直到电池达到充电电压限制为止，此一阶段的充电一般可充电到 70% 的程度。此后电池会继续以 4.1V 或 4.2V 的恒定电压进行充电，此一恒定电压限制会因为电池制造商及阳极材质 (焦炭或石墨) 而有所不同。为了达到最大的安全性及可用容量，并提升电池的周期寿命，必须将充电电压调节为 ±1%。电压调节准确度愈高，电池的周期寿命便愈长，电池容量也愈多。在此一阶段的充电期间，电池引入的充电电流会逐渐减少。一旦电流量低于 1C 充电速率下初始充电电流的 10%～15% 时，一般便会停止充电。除了电池温度监控之外，整个过程也需要安全定时器。
手机、便携式媒体播放器、便携式导航工具及蓝芽 (Bluetooth) 耳机等新一代手持装置不断缩小体积外型，同时加强效能与功能。就充电管理而言，这些强化的功能使得设计工程人员必须同时顾及用户的便利性与体验感受，以及整体充电时间与成本的均衡。然而，这是相当艰巨的工作。较进阶的功能一般需要较高的电池容量，才能满足较高的电源需求。同时，用户需要较快的充电速率以便将充电时间减至最低，并且需要较简便的装置充电方法。
因此，为了达到整体系统效能的优化，设计人员逐渐着重于开发新的充电管理技术。本文将说明目前的趋势及应用。
开关模式充电拓朴
长久以来，手持装置都使用线性充电拓朴，此方法能够为设计人员达到多项优点，例如低实作成本、设计简便性，以及不需高频率切换的“无噪声”运作。然而，线性拓朴会造成系统的功耗，尤其较高的电池组容量以及输入与电池电压之间的高差动电压，会造成充电速率增加。如果设计人员无法管理设计的散热问题，这会是重大的缺陷。
另一项重大缺陷是拿 PC 的 USB 端口当作电源。现今许多便携设备都提供 USB 的充电方式，其充电速率可达到 500mA。由于线性充电拓朴的效率不彰，因此 PC 的 USB 能够供应电池充电的电量不多，导致电池充电时间加倍延长。
开关模式拓朴便因此应运而生，其主要优点在于效率的提高。与线性稳压器不同的是，电源开关 (或开关) 是在饱和区域中运作，因此可有效降低整体漏失。降压式转换器功率损耗的主要来源包括 (电源开关中的) 切换和传导损耗，以及滤波器电感中的直流电和交流电损耗。根据设计参数，这些应用的效率经常超过 95%。
大多数的人听到开关模式，总是联想到大型 IC、大型功率 FET (PowerFET) 和超大型电感。虽然这类应用能够处理数十安培的电流，但是手持装置的新一代解决方案并非如此。新一代的单颗锂离子电池开关模式充电器可达到最高的芯片整合度，并可利用 1MHz 以上的频率，将电感及电容的尺寸缩至最小[1] (见图 1)。整合高位及低位功率 FET 的芯片尺寸小于 4 mm2。此解决方案在 3MHz 切换频率下，需要宽 2mm、长 2.5mm、高 1.2mm 的小型 1uH 芯片电感。
无线 (非接触式) 充电
无线电源已经行之有年，而且许多方面的应用都采用这种方法。举例来说，在工业应用中，感应加热确实能够在生产制造过程中熔化大量金属。在消费性产品中，多年来无线电源也已经成功应用于电动牙刷及其他小型个人照护产品的充电。然而，对于手机、便携式媒体播放器、蓝牙耳机等新一代便携式应用的充电而言，则仍在初期阶段，这其中的因素包括：
● 先前使用于消费性产品市场 (例如电动牙刷) 上的技术并未达到最佳的效率或速度。这些充电器一整晚只能够低速充电，而且特殊的体积外型只适用于特定的终端设备。
● 并非大多数的消费者都拥有各式各样的便携设备，而且这类装置都有各自的电源线，且大多具备专属连接器。
不过，目前一切正在改观。进行便携设备充电时，大多数的消费者开始希望透过无线数据传输的方式，达到一致的便利性。如此的概念看似简单，但是对于设计解决方案及接受度而言却是困难重重：
● 不同于电动牙刷，新的便携设备必须以标准的快速充电速率进行充电，也就是说，一小时左右要达到 70% 的容量。如此一来，解决方案就必须达到极高的功耗效率。
● 各个便携设备使用不同大小的电池及充电速率 (也就是额定功率)。因此，“一种大小全部适用”的规则无法成立。无线充电器需要有智能功能可进行辨识及自行调整。
● 消费者安全性相当重要，因此，无线充电器不仅必须区分硬币与手机的不同，而且必须确保在任何运作情况下都不会造成危险。
● 最后，消费者需要为“便利性”付出代价，因此，在使用与操作上，无线充电器必须比最简便的有线充电器更简易。
目前有多种因应这些问题的解决方案正在开发中，由 Fulton Innovation 开发的“电子耦合”技术便是其中一例 (见图 2)。此一技术采用动态式搜寻谐振的感应耦合式电路，因此主电源电路能够按照装置的需要进行运作，进而大幅提升电源传输及转换效率。此一技术能够与个别装置分别进行实时通信，因此可判别电源需求及其他因素，例如电池或装置的使用寿命及其充电生命周期，进而供应最佳电源量至装置，并维持装置的峰值效率。
USB 充电
如前所述，个人计算机及笔记本电脑的 USB 电源端口逐渐应用于数据传输及手持装置充电。虽然这为使用者带来另一种方便的充电方式，不过也使得设计工程师面临新的挑战。
大多数的 USB 集线器能够供应高达 500mA 的电流，这足以用来进行便携设备的电池充电。不过，便携设备需要一个有效的方法来侦测 USB 端口、可用的电量，以及充电电路的有效控制，以达到 USB 规格的要求。另外，当电池组的电量完全用尽时，此装置也必须因应系统启动的问题。
USB 型充电器至少需要提供下列功能：
● 可选式电流量
在低功率模式下，USB 端口或许只能够供应 100mA 的电流。为了适用于所有的应用，充电器的配置应该能够支持 100mA 或 500mA 的电流。
● 电池电量完全用尽或即将用尽时的系统启动
电池组电量完全用尽时，需要几分钟的时间进行充电，电池的电压才会升高到系统得以启动的地步。若要使系统实时启动，充电器必须提供智能型电源路径管理，尽可能地传送可用的电流，以供应启动系统所需的充足电流。任何剩余的电流都可用于电池充电。对电量即将用尽的电池进行充电时，电源路径管理电池充电器可让系统同时运作。
● 涌入电流控制
USB 规格支持高达 10uF 以进行硬启动 (hard-started)，当电流超过 100mA 时，这能够设定 50uC 做为涌入充电值上限。为了达到这个规格，充电器装置必须提供输入电流控制。
● 防护不良的 USB 电源
充电器装置必须能对设计不良或配置不正确的 USB 端口做出防护。如果输入电压 (也就是 USB 端口的输出) 开始下降或减少，“输入动态电源管理”功能可抑制充电电流。
图3显示 USB 兼容充电解决方案的范例[2]。如需最新版的电池充电标准，请参阅 http://www.usb.org/developers/devclass_docs。
电池充电管理依然重要
不论使用的拓朴或连接器属于何种类型，都需要适当的电池管理技术。这类技术可确保每次的电池充电都能达到电池的最大容量，而且不损及消费者安全或电池的周期寿命。
同样地，锂离子电池等其他类型的充电电池必须经过调整及配置，才能进行快速充电。如果电池的电压或温度超过限度，就不能进行快速充电。基于安全考虑，温度过高 (一般超过 45℃) 的电池必须等到电池降温到正常的运作温度范围才能继续充电。为了调节温度过低 (一般低于 10℃) 或过度放电的电池 (一般各电池低于 3V)，需要少量的预先充电电流。
经过调整及预先调节 (见图 4) 后，锂离子电池会先以 1C (含) 以下的电流进行充电，直到电池达到充电电压限制为止，此一阶段的充电一般可充电到 70% 的程度。此后电池会继续以 4.1V 或 4.2V 的恒定电压进行充电，此一恒定电压限制会因为电池制造商及阳极材质 (焦炭或石墨) 而有所不同。为了达到最大的安全性及可用容量，并提升电池的周期寿命，必须将充电电压调节为 ±1%。电压调节准确度愈高，电池的周期寿命便愈长，电池容量也愈多。在此一阶段的充电期间，电池引入的充电电流会逐渐减少。一旦电流量低于 1C 充电速率下初始充电电流的 10%～15% 时，一般便会停止充电。除了电池温度监控之外，整个过程也需要安全定时器。
