可穿戴应用中的线性充电器

作者:Hank Cao, Applications Engineer, Monolithic Power Systems

介绍

可穿戴设备正逐步融入到我们的生活中,不仅在健康领域,在医疗护理,娱乐,安防以及金融等领域都可以见到它们的身影。在所有的应用中,电池的使用时间以及设备的尺寸是可穿戴设备需要考虑的地方。

对于设备的尺寸来说,应用中会要求主板具有小尺寸,主板上的元件也要尽量少,这意味着主板上的IC要有小封装同时高度集成。比如当下比较流行的智能手环,通常主机的尺寸也就在20mmx20mm左右,在主机内的主板尺寸会更小,而电池包通常会占用主板的一面,其他元件贴在主板的另一面,这些元件的封装都及其受限。

基于上述原因,CSP这种形式的封装比较适合应用在可穿戴设备中,因为这种封装具有小尺寸和低高度(见图1)。

Figure 1: Chip in a CSP Package

图1: CSP形式的封装

除了封装,主板电路的优化设计也及其重要,高度集成会是减小主板尺寸的有效途径。将功率元件及控制电路高度集成到IC中,会减少主板上元件的数量,从而减小主板的尺寸(见图2)。

Figure 2: Traditional Solution vs. Highly Integrated Solution

图 2: 传统方案 vs. 高度集成方案

对于高度集成的IC,灵活性会是很重要的特点。例如,对于高度集成的充电IC,各种充电参数都可以通过程序来控制,以适应不同的应用场景,这将提供很好的客户体验。如果IC集成I2C接口,这就给客户提供了根据不同需求来管理充电,同时监控充电状态和异常情况,这将极大提供IC的灵活性。

电池是可穿戴设备中及其重要的元件,充电IC负责给电池安全充电同时提供电池和负载之间的双向功率控制。这样,充电IC在给负载提供功率的同时,可以给电池充电,当负载功率超过输入源功率的时候,电池可以给负载补充供电,以满足负载的应用。通常,充电IC采用带有输入电压环和输入电流环的功率通路控制来实现上述功能(见图3)。

Figure 3: Separate System and Battery Control

图3: 功率通路控制

采用功率通路之后,充电IC还可以提供电池放电保护,诸如过流保护以及电池欠压保护。在应用中,如果系统失控,对系统进行复位操作就显得极其重要,以防止不可以预期的损坏,功率通路也可以为充电IC提供系统复位操作,同时还能提供运输模式,以降低运输过程中的电池功耗。

可穿戴设备中的电池容量很小,通常在几十mAh到一百多mAh之间,而客户又期望电池有较长的时间时间,所以充电IC要有较低的静态功耗以延长电池的使用时间。以70mAh的电池为例,如果要求使用3天,那么平均消耗电流要小于1mA。在只有电池连接到充电IC的应用中,小于10µA静态电流对充电IC来说也是很大的挑战,这是因为低静态电流会影响系统处对负载瞬变的响应。

除了对充电电流,充满电压的精确控制之外,充电IC还要能够提供电池过压保护,监控电池的温度,以及其他的安全保护措施。

应用于可穿戴设备中的理想充电方案应该具有小尺寸,低元件数,灵活的充电管理,以及可靠的保护措施。MPS提供这样的理想充电方案----MP266x系列线性充电IC,其采用WCSP的紧凑封装,同时高度集成,以及低于13µA的静态电流。

总结

在可穿戴应用中,小尺寸和低静态电流是对电池充电IC的重要考量,理想的充电IC应能够达到这两项要求,同时高度集成以及灵活的控制。来自MPS的MP266x系列线性充电IC是可穿戴应用中的卓越方案,该系列产品采用MPS业界领先的MOSFET和模拟工艺,诠释了对可穿戴应用的优化设计。

想了解更多关于MP266x系列线性充电IC,请参考 Linear Battery Chargers page.