從健身與健康追蹤器、智能手表到虛擬現實平視顯示器，設計人員在不斷尋求新的創新方法來盡可能降低電流消耗、減少系統活動并保持系統功能處于待機或休眠模式。 同時，他們需要選擇具有最小漏電流的設備或使用負載開關來斷開不需要的子系統，以降低待機模式下的功耗。

在此過程中，選擇適當的電池充電管理系統將起到核心作用。 通過集成關鍵電池充電功能、使用各種尺寸和電容的電池、提供非常低的靜態電流，并增加有助于將輕載能效擴展到更低電流水平的電源管理功能，最新一代電池充電 IC 可幫助設計人員實現節能目標，并最大限度延長電池壽命。

復雜的充電周期

雖然鋰離子電池相對于替代型電池化學材料擁有巨大的優勢，包括較高的電池密度和較低的自放電率，但也有自己獨特的不利因素。 鋰離子電池對過度充電高度敏感。 超過特定值的電壓會對材料造成壓力并會縮短電池壽命。 這種限制不僅需要有更復雜的充電周期，如果每個電池單元充電超過 4.2 V，還會造成安全風險。

用于對鋰離子電池充電的理想恒流恒壓 (CCCV) 充電規范會給電池提供固定或恒定的電流，直到電壓達到 4.2 V（圖 1）。 在此階段，電池電壓以幾乎以線性方式增長。 當電壓達到 4.2 V 時，系統會切換到恒壓模式。 在此階段，在電流緩慢下降時，電池電壓不允許超過 4.2 V。 當未施加電流時電池達到 4.2 V，則被視為已充滿電。

圖 1： 在實踐中，供應商會調整預處理階段，并在 CCCV 充電周期中增加熱調節步驟和時間限制，以保護電池。 （圖片來源：batteryuniversity.com）

實際上，大多數充電器會對理想充電規范進行一些修改，以保護電池免于潛在的故障情況。 例如，為了避免為短路或受損電池充電而造成損壞，充電器開始充電時，會先進行小型充電測試，而不是以完全的快速充電速率運行。 這樣充電器可以喚醒電池，并確定電池的內部安全開關是否已跳閘。 通常，該預充電電流只占正?？焖俪潆婋娏鞯囊恍〔糠郑s 10%）。

一旦電池電壓超過 3.0 V，即可以認為以最大快速充電速率充電是安全的。 當電池能以預定義的低電流保持 4.2 V 時，充電過程通常會結束。 但是，充電器不允許電流無限地逐漸減小。 相反，充電會在預定義的電流水平終止，并且電池電壓下降到約 4.16 V 至 4.17 V，略低于完全充電水平。

充電器 IC 也包括熱調節特性，在電池電壓顯著低于輸入源時控制過熱。 利用此功能，只要電池不超過最高溫度，充電器就允許電流和快充過程繼續。 此外，可以基于監控或估測電池組溫度的傳感器來禁用整個充電過程。

設計人員需要一種快速給電池充電的解決方案，但他們還需要在電池中儲存盡可能多的能量。 他們可以使用充電器 IC 實現這一點。充電器 IC 不僅可提供非常精確的終止電流，還可在電流為 1 mA 或更低時可靠地終止。

可穿戴式產品設計人員應該在什么時候使用線性或開關式充電器？ 若應用需要低電流、小基底面和相對簡單的解決方案，線性充電器通常是更好的選擇。 線性充電器通?？商峁└唵蔚慕鉀Q方案，所需的應用面積、物料清單 (BOM) 以及外部元器件均更少。 對于需要約 1 A 以上額定電流的應用，開關式充電器具有更高的能效，能更好地管理緊湊型可穿戴式解決方案中的熱問題。 此外，大多數情況下，轉換開關可提供更多特性和更好的設計靈活性。

使用主機控制的架構可提供更多選擇。 在這種情況下，系統主機處理器管理電池充電過程，而充電器執行所有基本電源轉換和監控功能。 設計人員一般來說要權衡在系統層面進行的其他軟件開發投資，以實現通過軟件調節充電電壓、電流限值、定時器設置和其他參數的能力，并深入了解故障情況以及獲得更高的靈活性，包括采用不同電池類型的能力。

集成解決方案

對于嘗試同時最大限度降低功耗、延長電池壽命、縮小產品基底面的設計人員，高度集成的電池充電器解決方案，如 Texas Instruments 的 bq25120，可提供他們所需的許多關鍵功能。 bq25120 集成了線性充電器、可配置 LDO、負載開關、降壓轉換器、按鈕控制裝置和電池電壓監視器。 為了支持“長期始終可用”功能，bq25120 提供低至 700 nA 的靜態電流，降壓轉換器在 1.8 V 下工作。電池管理系統還支持從 3.6 V 至 4.65 V 的各種電池，以及從 5 mA 到 300 mA 的快速充電電流。 設計人員可以使用可配置負載開關/LDO 來關閉不常用的功能，例如無線電或顯示器，從而進一步最小化電池消耗。 bq25120 的待機靜態電流為 50 nA，可幫助設計人員延長電池的存放壽命。

圖 2： 除了集成可穿戴應用的許多關鍵功能外，通過提供從 5 mA 到 300 mA 的編程功能，Texas Instruments 的 bq25120 電池管理解決方案還支持各種電池和充電規范。 （來源： Texas Instruments）

高度精確地終止充電有助于最大限度地向電池提供能量。 bq25120 具有低至 500 μA 的終止充電功能，可在充電周期結束時最大限度地向電池提供能量。

在過去幾年中，可穿戴解決方案設計人員紛紛轉向采用無線充電方案為可穿戴解決方案供電。 圖 3 中的框圖描述了針對使用 Texas Instruments bq25120 充電器和 bq51003 集成接收器的可穿戴應用可擴展電源管理解決方案的設計。 該電路可針對各種應用進行優化，包括活動監視器和手表。 bq25120 上的 I2C 接口便于通信，并簡化了關鍵參數的配置。

圖 3： 帶 bq51003（左上）無線電源接收器的 bq25120（頂部中心）充電器為可穿戴設計提供可擴展的電源管理解決方案，包括監視器和手表。 （圖片來源： Texas Instruments）

若設計人員需要為 MCU、無線電或傳感器提供第二個不同電壓的高效率電源軌，那么 TPS62743 等獨立式低功耗降壓轉換器可提供與 bq25120 類似的性能，并且還可在 1.2 V 到 3.3 V 之間選擇八個不同的用戶可選輸出電壓。

電路保護

確保高可靠性和安全性也是在為可穿戴應用選擇任何電池充電解決方案時需要考慮的關鍵因素。 Diodes Incorporated 近期開發了一款簡單的解決方案，它集成了共漏極雙 N 溝道 MOSFET 的單芯鋰離子電池保護芯片。 由此而來的 AP9211 系列具有各種保護功能，包括過充電（電壓和/或電流）、過放電（電壓和/或電流）和負載短路檢測。

AP9211 持續準確地監控電壓和電流，能快速斷開 MOSFET，以防潛在的損壞情況。 采用高壓電壓 CMOS 工藝 (30 V) 使得設備耐受浪涌電壓。 同時，內置時間延遲功能有助于保護外部元器件，并降低物料清單成本。

在采用了 AP9211 的典型設計中，R1 和 C1 用于穩定供電電壓，R2 連接在 P- 到 VM 傳感端子之間，以監控充電器狀態和充/放電電流（圖 4）。 若電池或充電器反向連接，R1 和 R2 還用作限流電阻器。

圖 4： Diodes Incorporated 的 AP9211 可為單芯鋰離子電池組提供精簡的保護解決方案。 上面描述了典型應用電路。 （來源： Diodes Incorporated）

AP9211 有助于通過提供低靜態電流（正常情況下 3 μA，斷電時 0.1 μA）來延長電池壽命，低靜態電流能最大限度地減少電池放電。 該設備的扁平 (< 0.6 mm) 封裝為可穿戴計算設備設計人員提供更纖薄的保護電路板設計，并能在給定電池尺寸內實現更大的容量。

結論

隨著可穿戴計算設備市場繼續推陳出新、發展成熟，我們可以預期更高級的功能，因此電池運行時間將成為日益重要的差異化因素。 對于即將到來的新型可穿戴應用和設計浪潮，為特定應用選擇最佳電池充電解決方案將在市場成敗中扮演重要角色。