移动设备正日益成为咱们日常日子不可或缺的一部分。以智能手机为例，除了简略的手机呼叫功用外，智能手机现在还具有丰厚的特性，能够支撑交际网络、Web 阅读、音讯发送、游戏以及大型高清屏幕等运用。一切这些特性已让手机成了高功耗设备。电池容量和能量密度得到了明显进步，以满意更高的电源需求。充电 10 分钟即可为设备供电一天，而充电一小时即可取得 80% 的电量，这已成了高端用户体会的趋势。假如将快速充电要求和大型电池容量结合在一起考虑，便携式设备的充电电流能够到达 4A 乃至更高。这种对大功率的需求给电池供电体系规划带来了许多新的应战。
USB 供电
便携式设备一般运用 5V USB 电源。传统 USB 端口假如运用 USB2.0 标准，最大输出电流是 500mA，或若运用 USB3.0，最大输出电流则为 900mA，这无法满意便携式设备的快速充电要求。USB 适配器(专用充电端口，即 DCP)运用微型 USB 连接头即可将输出电流进步到 1.8A。但令人遗憾的是，典型的 5V/2A 电源适配器只能供给 10W 的总功率。假如运用这种电源适配器作为充电器电源，那么电池充电器最多只能供给 2.5A 的充电电流，而这并缺少认为 4,000mAh 及更高容量的电池组快速充电。为了进步功率，咱们能否持续增大 5V 电源适配器的输出电流?假如咱们添加本钱且运用专用线缆，理论上是能够的。可是，这种做法会受制于下列要素：
• 更高适配器电流(例如 2A 或更高)需求更粗的线缆和专门的 USB 连接头，这会形成体系解决计划本钱上升。此外，出于功率损耗和安全性问题考虑，传统 USB 线缆也不能充沛满意需求。
• 依据线缆长度和粗细的不同，适配器线缆的典型阻抗在 150 到 300mOhm 不等。高适配器输出电流会形成整个线缆的压降增大，然后下降充电器输入端的有用输入电压。当充电器输入电压挨近电池充电电压时，充电电流会明显下降，然后延伸充电时刻。
以运用线缆电阻为 180mOhm 的 5V/3A 适配器为例，线缆上的压降为 540mV。这样充电器的输入电压便是 4.46V。咱们假定充电器输入端到电池组的总电阻为 150mOhm，这包含充电器功率 MOSFET 的导通电阻和电感器的 DC 电阻。即使充电器能够支撑 3A 的电流，但对 4.35V 锂离子电池充电而言，最大充电电流仅为 730mA。缺少 1A 的充电电流明显不能高到能满意快速充电的需求。
依据上述剖析，有必要进步电源输入电压，才干供给满意的电压防止充电器进入低压降形式。出于这些约束要素，假如体系要求的功率大于 10W 或 15W，最好运用高电压适配器，比方 9V 或许 12V。在相同的功率下，高电压适配器不只需求较低的输入电流，并且还具有更大的输入电压裕度，可供给电池充溢电的电压。高电压适配器仅有的局限性是存在向后兼容性问题。将高电压适配器刺进到用于支撑 5V 输入的便携式设备上，假如体系不封闭(因为过压维护)，设备也会遭到损坏(因为缺少满意的高电压维护)。
因为这些约束性要素的存在，USD 供电适配器等很多新式混合式高电压适配器正在涌入商场。这类混合电电压适配器的一起特性是能够经过适配器与体系控制器之间的握手来识别体系的电压需求。该适配器以 5V 为起步输出来作为默省值。只需在体系承认其能支撑较高电压来完成快速充电时，才会将电压抬升到更高的 9V 或 12V。体系与适配器之间的通讯可运用 VBUS 完成，也可凭借专门的握手算法或信号来经过 D+ 和 D- 线路完成。这种新式混合、可调节电压适配器不只也能用作通用电源，一起还支撑作为一般电源的传统 5V 电压和用于快速充电的高输入电压体系。
快速电池充电
咱们能否经过一些特别的电池充电计划在不进步输入功率或增大充电电流的情况下缩短充电时刻呢?要想找到答案，咱们需求先来了解一下电池充电周期。
在电池充电周期中存在两种作业形式：恒流 (CC) 形式和恒压 (CV) 形式。当电池电压低于稳压充电电压时，充电器便以 CC 形式作业。一旦感测到电池组端电压到达预先设定的稳压电压时，即进入 CV 形式。当实践电池电流到达停止电流时，电池充电即告完毕。停止电流一般相当于整个快速充电电流的 5% 到 10%。
在抱负的充电体系中，电池组自身没有任何电阻，仅存在恒流形式。它没有 CV 充电形式，充电时刻最短。其原因在于，只需充电电压到达稳压充电电压，充电电流就会当即下降到零并到达充电停止电流。
可是，在实践电池充电体系中，从电池电压感测点到电池之间存在一系列电阻。这些电阻包含：1) PCB 线迹电阻;2) 两个电池充放电维护 MOSFET 的导通电阻;3) 在电量监测计起过流维护效果且用于丈量电池充放电电流的电流感应电阻;以及 4) 与电池老化情况、温度和充电状况呈函数联系的电池内部电阻。
在对新电池运用 1C 充电速率时，充电器运用大约 30% 的充电时刻作业在 CC 形式下，就可足够大约 70% 的电池容量。相反，充电器需求作业在 CV 形式下用总充电时刻的 70% 才干充溢剩下 30% 的电池容量。电池组的内部电阻越大，处于 CV 形式下的充电时刻就越长。只需当电池开路电压到达最大充电电压时，电池才干彻底充溢。假如电池充电电压感测点与实践电池之间存在较大电阻，那么即使电池组感测到电压到达稳压电压后，真实的电池开路电压依然低于所需的稳压电压。
关于智能手机和平板电脑等运用 4A 或更大充电电流的运用来说，面对的困难更大。在如此大的充电电流下，PCB 线迹或电池组内部电阻器上的压降会明显增大。这会形成充电器过早进入 CV 形式，形成充电时刻拖长。怎么才干缩短因这种高压降拖长的充电时刻呢?
经过亲近监测充电电流，就能精确地实时预算充电途径中的压降。这种称为 IR 补偿的电阻补偿技能能经过进步电池稳压电压来补偿充电途径中的额定压降。选用该技能，充电器就能尽可能长时刻地作业在恒流稳压形式下，直至实践电池开路电压极为挨近所需的电压值。这样，处于 CV 形式下的充电时刻就能明显缩短，让总充电时刻缩短达 20%。
体系散热优化
要完成快速充电功用，就需求运用 9V/1.8A 和 12V/2A 等较高功率适配器。别的，除了为电池充电，电池充电器还能为体系供电。这样它就成了便携式电源设备中温度最高的组件之一。为了供给更抱负的终端用户体会，设备外壳的温度和环境温度之间的最大差异应不超越 15°C。因为这个原因，电池充电器的电源转化功率和体系散热功能需求满意愈加严厉的要求。怎么才干一起完成最佳的散热功能和最抱负的功率呢?
图 1：本方框图代表 4.5A I2C 高功率开关充电器
图 1 是 4.5A 高功率开关形式充电器的简化运用电路图。该充电器可一起支撑 USB 和 AC 适配器，并且一切 MOSFET 均内部集成。MOSFET Q2 和 Q3 以及电感器 L 组成了根据同步开关降压的电池充电器。这种组合能尽可能完成最高的电池充电功率，并且能充沛运用适配器功率完成最快的充电速度。MOSFET Q1 可用作电池反向阻断 MOSFET，防止电池经过 MOSFET Q2 的体二极管漏电到输入端。此外，它还可用作能监控适配器电流的输入电流感测元件。MOSFET Q4 可用于自动监控电池充电电流。规划中运用的悉数 FET 应有满意低的导通电阻才干完成高功率。要进一步进步散热功能，还可选用散热稳压环路。当结温到达预界说的结温值时，其可经过下降充电电流来防止打破最大结温约束。
图 2：不同充电电流下的充电时刻比较：2.5A 与 4.5A
试验测验成果
图 2 显现了充电电流与充电时刻之间的联系。很简单了解，只需电池充电电流的速率没有超越电池制造商指定的最大电流速率，那么运用大充电电流就能加速充电速度。如图 2 所示，充电时刻能够缩短 30%。换言之，当充电电流从 2.5A 增大到 4.5A 时，充电时刻就会从 269 分钟缩短到 206 分钟。
图 3 显现了将 IR 补偿技能用于实践充电器规划所取得的充电时刻缩短的优势。充电时刻缩短 17%，就可从 234 分钟缩短到 200 分钟。
图 3：运用 IR 补偿法的快速充电比照。相同运用 4.5A 充电电流，充电时刻可从 234 分钟缩短到 200 分钟。在给单节 8,000mAh 电池充电时，只需补偿 70mOhm 电阻，无需添加额定本钱和形成额定散热影响，就可完成这一成果。
总结
关于很多便携式设备而言，快速充电正变得史无前例地重要。但这要求在实践充电体系中归入全新的规划思路，包含运用新式高电压适配器、优化充电电流和散热等。此外，还需求高档充电形式来优化充电时刻，延伸电池运用寿命。上述试验成果验证了该规划用于快速充电的效能。
