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标题 基于NCP1851充电芯片在智能终端中应用
范文 吴旭



摘 要： 尽管电池容量不断增加，消费者希望移动终端充电速度更快。NCP1851集成了动态电源路径管理功能，在电池电量低的情况下能迅速导通系统，帮助已深度放电的电池。该器件的内部温度传感器及外部负温度系数（NTC）热敏电阻通过将专用中断传达给I2C控制总线，确保系统安全充电。NCP1851提供USB OTG模式，为插入到USB端口的电源配件，省去另一个升压转换器的必要性。这器件提供1.5 A充电能力，尺寸仅为2.2 mm×2.55 mm，用于符合USB标准的最新输入电源及大容量电池，能在90 min内完成1 650 mA·h锂离子电池的完整充电周期。
关键词： 移动终端； 充电； NTC； USB OTG； NTC电阻
中图分类号： TN929.53?34； TP391.4 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）22?0158?05
0 引 言
消费者可能会采用墙式AC适配器或USB输入为便携设备充电。一般而言，墙式AC适配器的充电电流较大（如可达1.5 A），所需充电时间较短；而USB充电电流相对较小（如500 mA），时间更长。但即便是采用USB输入充电，消费者也期望能够更快速地完成充电。安森美半导体的NCP1851开关电池充电器就是一款满足消费者在这方面期望的高集成度IC。
该器件接受3.6～16 V的宽输入电压范围，提供可在7～16 V之间选择的正向过压锁定，提供正向28 V输入过压保护。器件集成了DC/DC升压电路，用于5 V USB OTG应用（电流500 mA），并提供5 V USB收发器保护。NCP1851还集成电池FET驱动器，支持“电池电量耗尽”（Dead Battery）工作。该器件的充电电流可达1.5 A，还集成了电池温度监测功能，在充电时保护电池安全，非常适合于便携设备的快速电池充电应用。
1 NCP1851芯片功能介绍
（1） 自动输入限流器（AICL）。NCP1851采用符合100 mA，500 mA，900 mA或1.5 A USB充电规范的输入电流限制器。应用自动检测模式在最大充电电流时调整，使其适应输入源能力，并缩短总体充电时间。
（2） 充电结束时自动断开电池连接（优化电池总体寿命）。许多便携系统的电池寿命在使用几个月后就受到影响，因为电池被持续充电，充电结束后仍恢复充电；NCP185x系列在充电结束时自动断开电池连接，仅在出现峰值电流活动（如使用数据流量或GSM通话）时重新连接极短时间。
（3） 插入充电线缆时即时导通便携设备。即使是最新设备通常也要求5 min左右的初始充电，然后才允许系统启动及被使用。不利的是，当你连接便携设备来充电时，你这时通常也需要使用它。NCP1851以及其NCP185x相关系列应用了插入线缆时即时导通系统的技术，一边安全给电池充电，一边单独为系统供电。
（4） 支援USB “On The Go”（OTG）。NCP815x系列应用反向升压转换器来提供5 V、500 mA输出以支持USB OTG功能。
（5） 独特的正向以及负向过压保护（OVP）。保护便携设备免受过压损伤，NCP1851提供+28 V过压保护（OVP）。
（6） 电池温度检测（完全可编程，符合JEITA规范）、充电配置及状态报告机制。
（7） 小型化CSP封装工艺，尺寸仅为2.2 mm×2.55 mm。
2 NCP1851在便携设备中应用设计
2.1 I2C地址选择
I2C（Inter?Integrated Circuit）总线是由Philips公司开发的双向两线总线，用于连接控制及其外围设备，是微电子通信控制领域广泛采用的一种总线标准，如图1所示。

图1 标准模式器件和快速模式器件连接到I2C总线
其具有如下一些特征：
（1） 只要求两条总线线路：一条串行数据线（SDA）；一条串行时钟线（SCL）。
（2） 每个连接到总线的器件都可以通过惟一的地址和一直存在简单主机/从机关系软件设定地址，主机可以作为主机发送器或主机接收器。
（3） 它是一个真正的多主机总线，如果2个或更多主机同时初始化数据传输可以通过冲突检测和仲裁防止数据被破坏。
（4） 串行的8位双向数据传输位，速率在标准模式下可达100 Kb/s，快速模式下可达400 Kb/s，高速模式下可达3.4 Mb/s。
（5） 片上的滤波器可以滤去总线数据线上的毛刺波，保证数据完整。
NCP1851支持I2C协议，应用处理器通过I2C启动充电控制及充电周期，且配合报告充电事件。将充电过程的变化或者意料之外的故障报告给外部FLAG引脚，用于产生中断。NCP1851芯片的I2C地址见表1。
在移动终端设备中，通常具有重力传感器（Gravity?sensor）、光线感应器（Light sensor）、指南针（E?Compass）、陀螺仪（Gyro）等功能应用。此功能器件IC需要外挂在I2C总线上来实现系统之间通信。甚至一些PMIC或者DC/DC等功能器件也需要借助I2C总线，这样就存在I2C地址冲突可能。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。
通过物料合理选择，这样就避免I2C地址冲突。

2.2 输入电流限流设置
为了满足USB协议要求，对输入电流检测并可以通过IINLIM来设置阈值。当设置为低电平时，USB单元输入电流IIN ≤ 100 mA。
如表2所示，通过ILIM[12]选择，使得输入限流具有100 mA，500 mA，900 mA，Auto模式选择。另外输入电流也可以通过I2C编程来设置（register MISC_SET bits IINLIM），具有100 mA，500 mA，900 mA，1 500 mA 四种模式。如果不需要输入电流限制，此时可以通过寄存器设置来取消此限流措施。
以手机平台为例，平台开启电流需求大致200～350 mA，加上背光消耗，此总电流消耗大致500 mA。如果配置为输入限流为500 mA，输出电流为：
[5 V×500 mA×0.9（效率）3.6 V（VSYS）=625 mA ]
可以满足系统电流需求。这样避免采用不良电源适配器大电流充电时，导致输入电压被拉低出现检测隐患（虽说NCP1851具有此4.4 V的USB Under Voltage Detection检测机制）。一旦系统开启后，此充电电流完全可以通过I2C设置来实现。
2.3 温度检测机制
之前行业内都没有特别关注锂电池的析锂问题，在低温环境下，特别是0 ℃以下充电会有锂离子析出。一旦析锂电池循环寿命会急剧下降，并且这个过程是不可逆的，对电池容量会造成永久的损伤，尤其是高压电池更加敏感。暂时行业内还没有标准和解决对策，只能通过软件设置电压和充电电流值。
从表3中不同温度充电电流推荐可以看出，在低温0～10 ℃时充电电流明显小于10～45 ℃度等温度阶段充电。为了电池安全，在过冷或过热情况下需要禁止充电。充电电池温度检测，通过一个电池内部或板子上靠近电池的NTC电阻来实现。
表3 不同温度下电池充电电压和电流设置（电芯推荐）
如图2所示，NCP1851可以监测4个温度区（根据JEITA规范），并且完全可编程：
（1） 冷：< +5 ℃，不充电；
（2） 正常温度：5～45 ℃，满额充电；
（3） 热：>45 ℃；降低充电电流；
（4） 烫：>65 ℃，不充电。
在有些平台或者应用中，该温度检测通过平台系统来实现，这样NTC就不需要连接到NCP1851充电芯片。从图2的检测电路和根据实际测试结果，该芯片的NTC 功能主要用于内部一些逻辑判断自动控制充电电压和充电电流，不能输出确切具体的温度。为了更精确的得到温度信息，温度检测方案可以采用平台系统端通过ADC检测方式来做。
2.4 充电电流和电压检测机制
不同设备的充电电路区别很大，例如有的采用硬件充电芯片去控制整个充电过程；有的手机采用分立元件，用软件控制充电流程。有些平台芯片内部集成充电功能电路，有些平台考虑温升和效率等方面，需要外部专门充电电路，PMIC作为充电检测等。不管这些实现方案是如何构建，其实状态控制控制过程都是基于负反馈原理。
以线性充电方案为例有如下几种模式：
2.4.1 预充电模式
当电池电压处于为UVLO（Under?Voltage Lockout）阶段，充电器插入时进入预充电模式。此模式可以分成两个阶段：
当电池电压低于2.2 V（深度放电），以550 ms/70 mA脉冲小电流来对电池充电；当电池电压高于2.2 V，例如PRECC1阶段，此时采用闭环预充电模式，通过保持RSENSE上电压电位差为60 mV（AC充电）或14 mV（USB host），可以计算出闭环预充电电流大小：
[IPRECC1，AC adapter=VSENSERSENSE=60 mVRSENSE；]
[IPRECC1，USBHOST=VSENSERSENSE=14 mVRSENSE]
2.4.2 恒流模式
此阶段通过PMIC内部的负反馈网络，保证（ISENSE?BATSNS）电压恒定。充电电流为：
[I=ISENSE-BATSNSRSENSE]
2.4.3 恒压模式
此阶段通过PMIC内部的负反馈网络，保证BATSNS电压恒定。在恒流阶段的前半段，VBAT较低，VBUS与VBAT压差较大。BJT和RSENSE电阻上发热大，软件控制充9 s停1 s，停1 s为了散热，因此，就有了“pulse charge”的名称。以NCP1851带路径管理开关充电方案为例：
恒流模式：
[IBAT=ICHG-ISYS]，ISYS变化→IBAT是变量
恒压模式：
[IBAT=ICHG-ISYS]，ISYS变化→ICHG是变量
[IBAT=VBAT-Vcell电芯电压RBAT电芯内阻T]
对带路径管理功能充电方案，ISENSE和BATSNS需要量测电压。在此之外，BATSNS还有电压UVLO检测的功能。NCP1851路径管理充电方案电流流向如图4所示。
BATSNS需要接到给系统直接供电的电源（非电池端），让PMU通过BATSNS检测外部电压以作为开关机条件判断（主要是UVLO）。ISENSE需要接到电池连接器，此不是为了量测电流，而是让PMU的ADC读取电池电压信息，作为fuel gauge（电池电量计）的计算。
理论上带有Power path功能，在电池不在位或者电池电压比较低时也能够开机。如果担心IBUS供电能力不足，软件可以默认关闭此功能。
3 NCP1851充电方案硬件设计
根据上述I2C地址选型、输入限流设置、温度与电压检测判断机制，此NCP1851在移动便携式设备硬件设计如图5所示，其充电芯片充电电压和电流见图6。
4 结 语
充电是手机或其他便携式设备一个极其重要的功能，一旦设计时考虑不周全，就可能出现充电功能或者性能故障，直接影响到用户体验。本文在介绍充电电路和NCP1851芯片特性基础上，根据手机平台充电检测原理机制，提出了一种具有充电路径管理及同时考虑温度检测等应用电路。
实验结果表明，该方案设计具有正确的逻辑关系以及良好的实际应用效果和用户体验。
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更新时间：2024/12/22 17:59:19