近年來，由於可攜式產品的普及化，如智慧型手機、平板電腦、筆記型電腦、MP3隨身聽等，幾乎人人都使用這些可攜式產品，但是當你出門在外正在使用智慧型手機打電話或使用平板電腦看影片時，電池突然沒電了，常常讓人覺得非常無奈。為避免外出時遇上智慧型手機或平板電腦沒電的窘況，對於這些可攜式產品來說，行動電源(Power Bank)幾乎成為必備的配件。同時，隨著鋰離子電池相關技術的快速發展，使得行動電源的電池容量愈來愈大但體積卻不增反減，大大提升了行動電源攜帶的便利性。
 圖1 Charger IC + Boost IC 方案。 |
 圖2 MCU + Charger IC + Boost IC 方案。 |
 圖3 MCU + Combo IC 方案。 |
目前，行動電源本身除了追求愈來愈大的電池容量與僅可能輕薄小巧的外型外，其充電所需的時間長短與可釋放出來的總電量多寡也為消費者選購時關心的重點。因此，如何設計充電時間短、轉換效率高的行動電源電路，亦為行動電源產品設計上的重要課題。有鑑於此，本文將說明如何以沛亨半導體的AIC6511及AIC3420來實現一體積小、效率高的行動電源電路。
電路方案
目前行動電源的電路方案大致上可分為三種，第一種方案是Charger IC + Boost IC，此種方案利用Charger IC對行動電源的鋰電池充電，Boost IC對行動裝置放電，如圖1所示。第二種方案是MCU + Charger IC + Boost IC，除了第一種方案的部分外，多了MCU對鋰電池及輸入輸出電壓作偵測，此種方案目前比較常見，如圖2所示。第三種方案則是MCU + Combo IC，此種方案是將Charger IC及Boost IC整合成一顆IC，可以減少零件的數量，節省PCB空間，如圖3所示。而本文將針對目前比較常見的第二種方案做詳細介紹。
行動電源電路
這幾年，隨著可攜式產品不斷成長，行動電源的需求也持續增加，輕薄小巧、快速充電、轉換效率高及高安全性等也成為消費者購買行動電源時的首要考量，為了滿足消費者的需求，許多公司都推出行動電源解決方案，在此我們以沛亨半導體所開發的AIC6511及AIC3420作為設計範例，提供給讀者參考。
從上一節可以得知，一個完整的行動電源電路包含了電池充電管理IC、昇壓轉換器IC及MCU，每個部分都會影響行動電源的整體效能，所以選用適當的IC是非常重要的。圖4所示為本文所要介紹的行動電源電路，主要由AIC6511鋰離子電池充電轉換器、AIC3420升壓轉換器及MCU所組成。底下將針對所提出的行動電源電路做詳細的說明。
圖4 行動電源電路。
Ａ. 鋰離子電池充電轉換器
鋰離子電池是目前應用最廣泛的可重複充電式電池，可將單顆鋰電池用於低功率產品，也可以將多顆鋰電池串並聯得到更高電壓與容量，例如行動電源就是將多顆鋰電池並聯來獲得高容量。鋰電池具有能量密度高、自放電率低、無記憶效應、壽命長、重量輕等優點，非常適合做為可攜式產品的電力來源。
鋰電池充電IC分為線性式及切換式兩種，線性式充電IC的成本低，IC接腳數較少，只需要少數的被動元件。然而線性式充電IC有較大的功率損耗，若設計不好常會導致IC溫度過高，且一般行動電源大多使用散熱較差的塑膠外殼，使得線性式充電IC無法提供較大的充電電流，因此線性式充電IC通常比較適合低容量鋰離子電池應用。若希望在短時間之內將電池充飽，則必須要提高充電電流，此時可以考慮應用切換式充電IC。切換式充電IC利用開關的高頻切換來達到能量的傳遞，可提供較大的充電電流，且具有高轉換效率不會有過熱現象，適合高容量電池的充電應用。
充電過程中，當電池電壓上升到4.2V時，要立即停止充電，以避免電池過充而產生危險，而當電池放電時，電池電壓如果降至2.5V以下，要立即停止放電，以免電池過放而減少電池的使用壽命。除此之外，鋰電池在應用上，還會加上短路保護電路，防止鋰電池因短路而造成危險。
鋰電池對充電要求很高，需要精密的充電電路以保證充電的安全，尤其要求終止充電電壓精度在額定值的±0.5%之內。目前鋰電池充電最常採用三段充電法，即預先充電模式(Trickle Charge Mode)、定電流充電模式(Constant Current Charge Mode)、定電壓充電模式(Constant Voltage Charge Mode)。充電IC在充電前會偵測電池的狀態，若電池電壓大於3V，將以定電流充電模式充電；若電池電壓低於3V，則以預先充電模式(約10%的定電流充電模式充電電流) 充電，到接近終止電壓時，改為定電壓模式充電，此時電池電壓幾乎不變，但充電電流會持續下降，當充電電流降到某一值時(約10%的定電流充電模式充電電流)，充電電流會被關閉，完成充電。圖5所示為採用三段充電法的鋰電池充電特性曲線。
圖5 採用三段充電法的鋰電池充電特性曲線。
Ｂ. 鋰離子電池充電轉換器
AIC6511是一個高度整合的切換式鋰離子電池充電管理IC，具有高精度的電流及電壓調節能力，適合使用在單顆鋰電池的充電應用，當電池電壓接近輸入電壓時，將會進入責任週期為100%的工作模式持續對電池進行充電，而其本身高達1.6MHz的切換頻率，將有助減少外部零件的尺寸。此外，其也具備提供充電狀態指示及電池移除偵測機制，支援USB mode及AC Adapter mode兩種輸入模式，最大可以輸出2A的充電電流，充電電流可由外部電阻來決定。預先充電電流(Trickle Charge Current)可以由下列公式計算：
定電流充電電流(Constant Current Charge Current)可由下列公式計算：
當使用USB電源做為輸入時，則可對輸入電流做限制使輸入電流可以低於USB電源所能提供的電流，避免USB電源進入過流保護，輸入電流限制設定值的計算公式如下：
此外，安全計時器(Safety Timer)，可避免因電池損壞時充電時間過長，造成危險。只要充電時間達到設定的安全計時時間，即便電池還未達到終止電壓，充電IC也會關閉充電電流，停止充電。安全計時時間可以透過電容C5來設定，預先充電(Trickle Charge)模式下之安全計時時間可由下列公式計算：
定電流充電(Constant Current Charge) 模式下之安全計時時間則可由下列公式計算：
為避免電池高溫充電，並提高安全性，IC透過負溫度係數(NTC, Negative Temperature Coefficient)熱敏電阻來偵測電池溫度，當溫度過高或過低時，IC會馬上終止充電，只有在電池溫度維持在安全範圍內(通常是0～45℃)時，才會對電池進行充電。而為了防止電池放電到輸入端，內建的休眠模式(Sleep Mode)功能，當輸入端電壓低於電池電壓時， P-channel MOSFET Power Switch將會關閉以防止電池對充電IC或輸入端進行放電。
另外，短路保護(Short Circuit Protection)功能、過電流保護(Over Current Protection)功能及過溫度保護(Over Temperature Protection)功能，當輸出發生短路時，短路保護功能啟動，電感電流會被限制住且切換頻率也會降低以減少損失；IC本身也會偵測流經內部功率開關的電流，當功率開關的電流過大時，過電流保護功能啟動，限制住功率開關的電流不再往上增加，以保護內部的切換開關；此外，當IC結面溫度達到150oC時，過溫度保護功能將會啟動，IC會停止充電，直到IC溫度降至120oC，才回復充電。
C. 升壓轉換器與MCU
AIC3420是一個具輕載高效率的同步升壓DC-DC轉換器IC，最低輸入啟動電壓為0.9V，可以使用單顆鋰電池做為輸入電源，最大輸出電流可達2.1A，適合較大電流的應用。當負載操作在輕載時，IC會切換至PSM (Pulse Skipping Mode) 模式降低待機的功率損失，提升輕載效率。True Shutdown功能，使IC 進入Shutdown模式時，輸出電壓降為0V。而零電流偵測(Zero Current Detection)功能讓電感電流不會有倒灌現象，可大幅改善輕載效率，最高效率可達94%，對行動電源來說可以更有效率的放電。
另外，柔性啟動(Soft Start)功能以限制啟動時輸出電壓的過衝(Overshoot)及湧浪電流(Inrush Current)，避免IC及零件的損壞。而AIC3420本身也具有短路保護、過電流保護、過溫度保護及過電壓保護功能。
本文所介紹的行動電源電路中，MCU的主要功能為輸入電壓偵測、輸出電壓偵測、電池電量狀況顯示以及輸出過電流保護等。電路中，LED將顯示電池的電量，可以讓使用者知道電池的電量狀況。而當輸入及輸出電壓過高或過低時，MCU會送出訊號關閉IC；另外，當發生輸出過電流時，MCU也會關閉IC來保護電池及IC。
結論
可攜式產品的蓬勃發展，使得行動電源的功能及規格要求也日漸提升，因此如何有效率的充放電也成為各家廠商發展的主流。由於切換式充電器在應用上較線性式充電器廣泛，也具有更高轉換效率，適合高容量鋰電池的應用。因此本文提出一個以切換式充電IC來取代線性式充電IC的行動電源方案，來提高充電電流，縮短充電時間，並使充電電路幾乎不會有過熱的問題發生。
