艾为线性充电芯片的功能和设计注意事项

艾为之家 2024-11-20 560

描述

随着科技的发展，各类电子产品逐渐走近我们的生活。大家对电子产品的需求也逐渐从有线电子产品演变为无线电子产品，如无线鼠标，无线键盘，无线耳机等。

无线电子产品应用越来越广，也伴随着充电的功能和性能需求越来越强。在各类小型无线电子产品中，线性充电架构以简单可靠、低噪声、小尺寸、低成本等优点，受到最多的青睐。

线性充电定义

线性充电通过线性调节器来控制充电电流，使电流直接流经调节器进入电池。这种方式的优点是电路简单、成本低且噪声小，适用于小容量电池充电应用场景。为增加大家对线性充电的认识，本文将介绍线性充电的原理、艾为线性充电的功能性介绍和线性充电的设计注意事项。

线性充电原理

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图1 艾为线性充电框架图

线性充电框架图如图1，当IN端输入电压(常规为5V)，通过Q1A和Q1B管降压到SYS端。当SYS端电压高于BAT端，可通过软件打开Q2A管，从SYS端给BAT端电池充电。

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图2 充电曲线

线性充电的充电曲线如图2，可大致分为：预充电、恒流充电(CC)、恒压充电(CV)、充电完成、自动复充阶段。以下将简单介绍各阶段及其特点。

预充电：在进入充电流程后，芯片会判断电池电压。当电池电压小于设定的VBAT_PRE(两档可调，2.8V/3V)，芯片进入预充电阶段。此时充电电流较小(可调，1~31mA，2mA/step)，以保护电池在低电量下不会由于大充电电流而误触发保护或寿命衰减。

恒流充电(CC)：当芯片判断电池电压在VBAT_PRE与VBAT_REG之间时，芯片处于恒流充电阶段。此时充电电流较大，最大可配置到500mA。在该阶段中，充电电流保持不变，电池电压逐步上升。

恒压充电(CV)：当芯片判断电池电压达到VBAT_REG后，芯片处于恒压充电阶段。此时电池电压保持不变，充电电流逐渐减小(电流变化过程由电池控制，不受芯片控制)。

充电完成：在恒压充电阶段，当充电电流降低至ITERM(可调，1~31mA，2mA/step)，芯片进入充电完成流程，而后不再对电池充电。

自动复充：在充电完成后，当芯片检测到跌落至VBAT_REG-VRECH且VIN在位，将触发自动复充机制，自动恢复充电。

线性充电优势

在很多场景中需要用到线性充电，主要因为它具有以下优势：

01 简单可靠

1. 电路结构简单，线性充电芯片通常由较少的电子元件组成，设计相对简单，降低了电路的复杂性和成本。

2. 稳定性高，工作过程中没有复杂的开关动作，输出电压较为稳定，不易产生电磁干扰，对周围电子设备的影响较小。

02 低噪声

1. 运行安静，在充电过程中不会产生开关噪声，特别适用于对噪声敏感的应用场景，如音频设备、医疗设备等。

2. 减少干扰，不会干扰其他电子元件的正常工作，保证整个系统的稳定性和可靠性。

03 小尺寸

占用空间小，由于电路简单，线性充电芯片可以实现小型化设计，适合集成到空间有限的电子设备中，如便携式设备、可穿戴设备等。

04 成本效益

与一些复杂的充电技术相比，线性充电芯片的成本较低，对于成本敏感的应用场景具有很大的吸引力。

艾为线性充电的性能介绍

艾为线性充电芯片不仅能实现对电池的充电，同时还集成各种保护机制和检测机制。下面以艾为线性充电芯片AW32012CSR为例，简单介绍艾为线性充电芯片的功能：

电源路径管理

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图3 电源路径管理功能图示

电源路径管理功能如图3。当VSYS端负载抽电流时，优先从VBUS取电，当VBUS不足以提供所需电流时，Q2管切换为从电池端补充取电。VBUS在位时，VSYS默认有输出电压。当终端客户插入适配器后，系统可被立刻打开，在适配器支持系统负载后有额外输出能力，可以分配到给电池充电。

动态电源管理

对电源VBUS的跌落保护。为了保证输入电压不会跌落到设定值(0x00寄存器bit7~bit4)，在接近设定值(约200mV)时，开始降低充电电流以保证VIN电压不会继续跌落。

如果充电电流降低到0，VBUS仍低于设定值，芯片会降低VSYS电压。当VSYS电压降低到VBAT-30mV，会进入电池供电模式，VSYS负载电流由VIN和VBAT共同提供。当VSYS端负载电流减小，VSYS爬升到>VBAT+20mV，退出电池供电模式。

船运模式

进入船运模式后，切断VSYS端供电，同时关闭芯片内部分模块，令IC进入超低功耗模式。保证即使整机远航运输或者仓库长时间保存也不会损失过多电池电量。

NTC保护功能/PCB_OTP保护功能

NTC保护功能

硬件上通过查找NTC电阻表，分别将高低温度下的电阻值代入到计算公式中即可获得实际电路中需要的RF1和RF2，只有在这个高低温度范围内IC会进行充电。软件上需要将对应寄存器位开启，即打开NTC功能。若触发NTC保护，芯片将关闭Q2管，关闭充电路径和电池放电路径，此时VSYS仅通过VBUS供电。

PCB_OTP保护功能：

原理上与NTC类似。为对PCB的温度检测。温敏电阻设计在PCB板上。若触发PCB_OTP保护，芯片将关闭Q1B和Q2管，此时VSYS电压无法供应，整机关机，以防止整板继续升温。

INT中断引脚功能

复位功能：

1、长下拉INT引脚可短暂断开VBAT与VSYS(即Q2管)，使得VSYS系统端电压掉电重启。 2、在船运状态下，长下拉INT引脚可退出船运。

状态指示功能：

芯片在出现VBUS接入状态和充电状态改变时，或出现以下表格中的异常状态时，会产生256us的低电平中断脉冲输出。具体异常状态如下表：

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表1 异常状态

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表2 异常状态

Switch mode模式

在VBAT对VSYS供电状态下，进入switch mode，可关掉部分保护功能，将芯片的静态功耗降低至0.7uA(type)以下。

通过VBUS复位VSYS

在系统主控有宕机风险，而由于整机设计暂无法使用INT引脚复位VSYS(如未将INT引脚引出作为物理按键等场景)时，可通过对AW32012的VBUS发送一定要求的波形，使VSYS电压复位，从而复位系统主控。

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图4 VBUS复位VSYS功能图示

设计注意事项

关于线性充电外围原理图设计，注意事项如下：

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图5 线性充电外围原理图

关于线性充电外围PCB设计，注意事项如下：

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图6 线性充电外围PCB设计

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图7 线性充电原理图设计图示

线性充电应用场景及艾为线性充电产品介绍

线性充电应用场景

线性充电IC适用于小电池容量的便携式设备和可穿戴设备。如头戴式/TWS蓝牙耳机、蓝牙键盘、智能手表、智能手环、智能眼镜、手写笔等。

图8 线性充电IC常见应用场景

以智能手表为例，线性充电在整体方案中的应用位置如图7所示。

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图9 智能手表应用框架及线性充电应用位置

艾为线性充电产品介绍

目前艾为拥有带路径管理和不带路径管理的线性充电产品，适用于不同的应用场景。对于需要路径管理的充电场景，推荐选用AW32012CSR该款产品。对于不需要路径管理的充电场景，推荐使用AW32005/AW32006系列产品。

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图10 线性充电IC特色产品

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图11 线性充电IC产品列表

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图12 线性充电IC产品列表

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图13 线性充电IC产品列表

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