基于NCP1851充電芯片在智能終端中應(yīng)用

吳旭

摘 要： 盡管電池容量不斷增加，消費(fèi)者希望移動終端充電速度更快。NCP1851集成了動態(tài)電源路徑管理功能，在電池電量低的情況下能迅速導(dǎo)通系統(tǒng)，幫助已深度放電的電池。該器件的內(nèi)部溫度傳感器及外部負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻通過將專用中斷傳達(dá)給I2C控制總線，確保系統(tǒng)安全充電。NCP1851提供USB OTG模式，為插入到USB端口的電源配件，省去另一個升壓轉(zhuǎn)換器的必要性。這器件提供1.5 A充電能力，尺寸僅為2.2 mm×2.55 mm，用于符合USB標(biāo)準(zhǔn)的最新輸入電源及大容量電池，能在90 min內(nèi)完成1 650 mA·h鋰離子電池的完整充電周期。

關(guān)鍵詞： 移動終端； 充電； NTC； USB OTG； NTC電阻

中圖分類號： TN929.53?34； TP391.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）22?0158?05

0 引 言

消費(fèi)者可能會采用墻式AC適配器或USB輸入為便攜設(shè)備充電。一般而言，墻式AC適配器的充電電流較大（如可達(dá)1.5 A），所需充電時間較短；而USB充電電流相對較小（如500 mA），時間更長。但即便是采用USB輸入充電，消費(fèi)者也期望能夠更快速地完成充電。安森美半導(dǎo)體的NCP1851開關(guān)電池充電器就是一款滿足消費(fèi)者在這方面期望的高集成度IC。

該器件接受3.6～16 V的寬輸入電壓范圍，提供可在7～16 V之間選擇的正向過壓鎖定，提供正向28 V輸入過壓保護(hù)。器件集成了DC/DC升壓電路，用于5 V USB OTG應(yīng)用（電流500 mA），并提供5 V USB收發(fā)器保護(hù)。NCP1851還集成電池FET驅(qū)動器，支持“電池電量耗盡”（Dead Battery）工作。該器件的充電電流可達(dá)1.5 A，還集成了電池溫度監(jiān)測功能，在充電時保護(hù)電池安全，非常適合于便攜設(shè)備的快速電池充電應(yīng)用。

1 NCP1851芯片功能介紹

（1） 自動輸入限流器（AICL）。NCP1851采用符合100 mA，500 mA，900 mA或1.5 A USB充電規(guī)范的輸入電流限制器。應(yīng)用自動檢測模式在最大充電電流時調(diào)整，使其適應(yīng)輸入源能力，并縮短總體充電時間。

（2） 充電結(jié)束時自動斷開電池連接（優(yōu)化電池總體壽命）。許多便攜系統(tǒng)的電池壽命在使用幾個月后就受到影響，因為電池被持續(xù)充電，充電結(jié)束后仍恢復(fù)充電；NCP185x系列在充電結(jié)束時自動斷開電池連接，僅在出現(xiàn)峰值電流活動（如使用數(shù)據(jù)流量或GSM通話）時重新連接極短時間。

（3） 插入充電線纜時即時導(dǎo)通便攜設(shè)備。即使是最新設(shè)備通常也要求5 min左右的初始充電，然后才允許系統(tǒng)啟動及被使用。不利的是，當(dāng)你連接便攜設(shè)備來充電時，你這時通常也需要使用它。NCP1851以及其NCP185x相關(guān)系列應(yīng)用了插入線纜時即時導(dǎo)通系統(tǒng)的技術(shù)，一邊安全給電池充電，一邊單獨(dú)為系統(tǒng)供電。

（4） 支援USB “On The Go”（OTG）。NCP815x系列應(yīng)用反向升壓轉(zhuǎn)換器來提供5 V、500 mA輸出以支持USB OTG功能。

（5） 獨(dú)特的正向以及負(fù)向過壓保護(hù)（OVP）。保護(hù)便攜設(shè)備免受過壓損傷，NCP1851提供+28 V過壓保護(hù)（OVP）。

（6） 電池溫度檢測（完全可編程，符合JEITA規(guī)范）、充電配置及狀態(tài)報告機(jī)制。

（7） 小型化CSP封裝工藝，尺寸僅為2.2 mm×2.55 mm。

2 NCP1851在便攜設(shè)備中應(yīng)用設(shè)計

2.1 I2C地址選擇

I2C（Inter?Integrated Circuit）總線是由Philips公司開發(fā)的雙向兩線總線，用于連接控制及其外圍設(shè)備，是微電子通信控制領(lǐng)域廣泛采用的一種總線標(biāo)準(zhǔn)，如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)模式器件和快速模式器件連接到I2C總線

其具有如下一些特征：

（1） 只要求兩條總線線路：一條串行數(shù)據(jù)線（SDA）；一條串行時鐘線（SCL）。

（2） 每個連接到總線的器件都可以通過惟一的地址和一直存在簡單主機(jī)/從機(jī)關(guān)系軟件設(shè)定地址，主機(jī)可以作為主機(jī)發(fā)送器或主機(jī)接收器。

（3） 它是一個真正的多主機(jī)總線，如果2個或更多主機(jī)同時初始化數(shù)據(jù)傳輸可以通過沖突檢測和仲裁防止數(shù)據(jù)被破壞。

（4） 串行的8位雙向數(shù)據(jù)傳輸位，速率在標(biāo)準(zhǔn)模式下可達(dá)100 Kb/s，快速模式下可達(dá)400 Kb/s，高速模式下可達(dá)3.4 Mb/s。

（5） 片上的濾波器可以濾去總線數(shù)據(jù)線上的毛刺波，保證數(shù)據(jù)完整。

NCP1851支持I2C協(xié)議，應(yīng)用處理器通過I2C啟動充電控制及充電周期，且配合報告充電事件。將充電過程的變化或者意料之外的故障報告給外部FLAG引腳，用于產(chǎn)生中斷。NCP1851芯片的I2C地址見表1。

在移動終端設(shè)備中，通常具有重力傳感器（Gravity?sensor）、光線感應(yīng)器（Light sensor）、指南針（E?Compass）、陀螺儀（Gyro）等功能應(yīng)用。此功能器件IC需要外掛在I2C總線上來實現(xiàn)系統(tǒng)之間通信。甚至一些PMIC或者DC/DC等功能器件也需要借助I2C總線，這樣就存在I2C地址沖突可能。比如：

G_sensor（KXTJ2?1009），地址：0x0E；

E_Compass（QMC6983），地址：0x2C；

Ambient Light Sensor and Proximity Sensor（CM36682M3OE），地址：0x60。

通過物料合理選擇，這樣就避免I2C地址沖突。

2.2 輸入電流限流設(shè)置

為了滿足USB協(xié)議要求，對輸入電流檢測并可以通過IINLIM來設(shè)置閾值。當(dāng)設(shè)置為低電平時，USB單元輸入電流IIN ≤ 100 mA。

如表2所示，通過ILIM[12]選擇，使得輸入限流具有100 mA，500 mA，900 mA，Auto模式選擇。另外輸入電流也可以通過I2C編程來設(shè)置（register MISC_SET bits IINLIM），具有100 mA，500 mA，900 mA，1 500 mA 四種模式。如果不需要輸入電流限制，此時可以通過寄存器設(shè)置來取消此限流措施。

以手機(jī)平臺為例，平臺開啟電流需求大致200～350 mA，加上背光消耗，此總電流消耗大致500 mA。如果配置為輸入限流為500 mA，輸出電流為：

[5 V×500 mA×0.9（效率）3.6 V（VSYS）=625 mA ]

可以滿足系統(tǒng)電流需求。這樣避免采用不良電源適配器大電流充電時，導(dǎo)致輸入電壓被拉低出現(xiàn)檢測隱患（雖說NCP1851具有此4.4 V的USB Under Voltage Detection檢測機(jī)制）。一旦系統(tǒng)開啟后，此充電電流完全可以通過I2C設(shè)置來實現(xiàn)。

2.3 溫度檢測機(jī)制

之前行業(yè)內(nèi)都沒有特別關(guān)注鋰電池的析鋰問題，在低溫環(huán)境下，特別是0 ℃以下充電會有鋰離子析出。一旦析鋰電池循環(huán)壽命會急劇下降，并且這個過程是不可逆的，對電池容量會造成永久的損傷，尤其是高壓電池更加敏感。暫時行業(yè)內(nèi)還沒有標(biāo)準(zhǔn)和解決對策，只能通過軟件設(shè)置電壓和充電電流值。

從表3中不同溫度充電電流推薦可以看出，在低溫0～10 ℃時充電電流明顯小于10～45 ℃度等溫度階段充電。為了電池安全，在過冷或過熱情況下需要禁止充電。充電電池溫度檢測，通過一個電池內(nèi)部或板子上靠近電池的NTC電阻來實現(xiàn)。

表3 不同溫度下電池充電電壓和電流設(shè)置（電芯推薦）

如圖2所示，NCP1851可以監(jiān)測4個溫度區(qū)（根據(jù)JEITA規(guī)范），并且完全可編程：

（1） 冷：< +5 ℃，不充電；

（2） 正常溫度：5～45 ℃，滿額充電；

（3） 熱：>45 ℃；降低充電電流；

（4） 燙：>65 ℃，不充電。

在有些平臺或者應(yīng)用中，該溫度檢測通過平臺系統(tǒng)來實現(xiàn)，這樣NTC就不需要連接到NCP1851充電芯片。從圖2的檢測電路和根據(jù)實際測試結(jié)果，該芯片的NTC 功能主要用于內(nèi)部一些邏輯判斷自動控制充電電壓和充電電流，不能輸出確切具體的溫度。為了更精確的得到溫度信息，溫度檢測方案可以采用平臺系統(tǒng)端通過ADC檢測方式來做。

2.4 充電電流和電壓檢測機(jī)制

不同設(shè)備的充電電路區(qū)別很大，例如有的采用硬件充電芯片去控制整個充電過程；有的手機(jī)采用分立元件，用軟件控制充電流程。有些平臺芯片內(nèi)部集成充電功能電路，有些平臺考慮溫升和效率等方面，需要外部專門充電電路，PMIC作為充電檢測等。不管這些實現(xiàn)方案是如何構(gòu)建，其實狀態(tài)控制控制過程都是基于負(fù)反饋原理。

以線性充電方案為例有如下幾種模式：

2.4.1 預(yù)充電模式

當(dāng)電池電壓處于為UVLO（Under?Voltage Lockout）階段，充電器插入時進(jìn)入預(yù)充電模式。此模式可以分成兩個階段：

當(dāng)電池電壓低于2.2 V（深度放電），以550 ms/70 mA脈沖小電流來對電池充電；當(dāng)電池電壓高于2.2 V，例如PRECC1階段，此時采用閉環(huán)預(yù)充電模式，通過保持RSENSE上電壓電位差為60 mV（AC充電）或14 mV（USB host），可以計算出閉環(huán)預(yù)充電電流大小：

[IPRECC1，AC adapter=VSENSERSENSE=60 mVRSENSE；]

[IPRECC1，USBHOST=VSENSERSENSE=14 mVRSENSE]

2.4.2 恒流模式

此階段通過PMIC內(nèi)部的負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，保證（ISENSE?BATSNS）電壓恒定。充電電流為：

[I=ISENSE-BATSNSRSENSE]

2.4.3 恒壓模式

此階段通過PMIC內(nèi)部的負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，保證BATSNS電壓恒定。在恒流階段的前半段，VBAT較低，VBUS與VBAT壓差較大。BJT和RSENSE電阻上發(fā)熱大，軟件控制充9 s停1 s，停1 s為了散熱，因此，就有了“pulse charge”的名稱。以NCP1851帶路徑管理開關(guān)充電方案為例：

恒流模式：

[IBAT=ICHG-ISYS]，ISYS變化→IBAT是變量

恒壓模式：

[IBAT=ICHG-ISYS]，ISYS變化→ICHG是變量

[IBAT=VBAT-Vcell電芯電壓RBAT電芯內(nèi)阻T]

對帶路徑管理功能充電方案，ISENSE和BATSNS需要量測電壓。在此之外，BATSNS還有電壓UVLO檢測的功能。NCP1851路徑管理充電方案電流流向如圖4所示。

BATSNS需要接到給系統(tǒng)直接供電的電源（非電池端），讓PMU通過BATSNS檢測外部電壓以作為開關(guān)機(jī)條件判斷（主要是UVLO）。ISENSE需要接到電池連接器，此不是為了量測電流，而是讓PMU的ADC讀取電池電壓信息，作為fuel gauge（電池電量計）的計算。

理論上帶有Power path功能，在電池不在位或者電池電壓比較低時也能夠開機(jī)。如果擔(dān)心IBUS供電能力不足，軟件可以默認(rèn)關(guān)閉此功能。

3 NCP1851充電方案硬件設(shè)計

根據(jù)上述I2C地址選型、輸入限流設(shè)置、溫度與電壓檢測判斷機(jī)制，此NCP1851在移動便攜式設(shè)備硬件設(shè)計如圖5所示，其充電芯片充電電壓和電流見圖6。

4 結(jié) 語

充電是手機(jī)或其他便攜式設(shè)備一個極其重要的功能，一旦設(shè)計時考慮不周全，就可能出現(xiàn)充電功能或者性能故障，直接影響到用戶體驗。本文在介紹充電電路和NCP1851芯片特性基礎(chǔ)上，根據(jù)手機(jī)平臺充電檢測原理機(jī)制，提出了一種具有充電路徑管理及同時考慮溫度檢測等應(yīng)用電路。

實驗結(jié)果表明，該方案設(shè)計具有正確的邏輯關(guān)系以及良好的實際應(yīng)用效果和用戶體驗。

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