充电IC的充电过程和拓扑结构

在电源管理IC类别中，充电IC作为调节充电电流与电压的器件，广泛应用在各类便携式设备中，小到耳机、手表、手环，大到手机、平板、笔记本电脑等，输入电流从几mA到5A，输入电压也从早期的5V，到更高的9V、12V，甚至到24V、36V、48V等。

充电过程

充电过程可分为预充(Pre-Charge)、恒流充电(CC)、恒压充电(CV)三个阶段。

- 预充阶段 -

电流一般都比较小，300mA左右，主要考量电池在低压下的充电倍率限制，旨在保护电池，在低电压时低电流充电可以保护电池提高使用寿命。

- 恒流充电 -

当预充到达VSHORT，进入恒流充电，系统开机后进入kernel，此时可以去配置恒流充电电流，直到VBAT电压接近VOREG。

- 恒压阶段 -

VOREG与VBAT压差越小，电流越小，电流小至截止电流时停止充电。

图1 充电过程

充电拓扑结构

- 线性充电 -

线性充电器IC通常体积小、外围器件精简、控制逻辑简单故而性价比高。这类充电器IC由于没有开关所以噪声较低，但受封装尺寸的限制，较高的充电电流会产生较高功耗。因此，线性充电器因其小体积而非常适合便穿戴设备，如智能手表、TWS耳机等。

- 开关充电 -

在中、大电流下，开关充电器IC比线性充电器IC更高效，并且在宽输入电压 (VIN) 范围内具有更高的适应性。不过，开关充电器IC还需要电感器和更多的电容器，这会增加成本，也更复杂，并占用更多的 PCB 空间。开关充电广泛应用于手机、PAD、移动电源等设备。

- Charger Pump充电 -

随着电池容量越来越大，解决充电慢焦虑，快速充电成了消费者迫切需求，如今也越来越被市场认可，Charger Pump充电应运而生。电荷泵充电架构效率更高，功率更大，针对单电芯既可以工作在2：1模式，也可以工作在4：1模式，单芯片最高功率可以到60W，可以并联使用做到120W以上，针对双电芯可选用4：2或6：2架构，最高功率可达单芯片80W。

终端设备形态不同，电池数量亦有差异：

- 针对1~2节电池，可适配的充电拓扑结构有线性、降压型开关、升压型开关、电荷泵四种

- 针对2节以上电池，有线性、降压型开关、升降压型开关三种

充电芯片的选用是功率、性能和方案开销的综合评定结果，最适合的架构匹配最通用的需求。 艾为充电芯片完全覆盖线性充电、开关充电、Charger Pump充电。

线性充电 AW32005系列

该系列产品用于对充电功率5W内的精简控制场景，比如：T-BOX，太阳能转换等。只需要一个使能就可以实现充电功能，充电完成后可以自动实现停充，通过外部电阻可以设置充电电流，主要特性包括：

充电电压精度：±0.5%(0°C~50°C)

充电电流精度：±10%

最大输入电压可以到28V

具有预充、恒流充电(CC)、恒压充电(CV)的完整充电过程

可设置CC充电电流和截止电流

自动复充功能

充电电流：5mA~800mA

保护功能：VBUS OVP，电池OVP，反向漏电保护，热保护

漏电流小于1μA

图2 AW32005H/AW32005L典型应用电路

线性充电 AW32001E

作为艾为经典的线性充电产品，AW32001E使用I²C控制，主要用于可穿戴设备，比如：

头戴式蓝牙耳机-300-600mAh-带Power Path，支持即时开机

智能手环-100-400mAh-BAT端漏电小、Shipping Mode、保护电池侧

智能手表-400-500mAh-BAT端漏电小、Shipping Mode、保护电池侧

真无线蓝牙耳机舱-300-500mAh-电池端漏电小

真无线蓝牙耳机-30mAh-60mAh-电池端漏电小

智能眼镜-500mAh-双侧电池

手写笔-80-100mAh-电池端漏电小

蓝牙键盘-200mAh-带Power Path，支持即时开机支持

运动监测仪-130mAh-高温高湿应用

这些设备的特点都是电池容量小，所以为了提高电池利用率，需要更低的截止充电电流，让电池真正充满。也因为电池容量小，为延长产品使用时间，充电芯片需要满足低功耗要求，降低运输模式漏电。另外，充电安全更要有保证，过流，过压，温度保护都不可少。艾为的AW32001E能够高质量满足以上所有要求。

- AW32001E产品特性 -

充电截止电压精度:±0.5% (0℃ to 50℃)

充电电流精度：±5%

充电电流范围：2mA~500mA

充电截止电流：1mA~31mA

输入电压范围：-5V~28V

支持动态路径管理(Power path)

支持Shipping-mode功能

支持补充模式

集成OVP、OCP、OTP、短路等9重安全防护

小封装：1.68 x 1.68mm^2 CSP-9 (0.5 pitch)

图3 电源路径管理结构

艾为开关充电系列中，AW32207FCR 和AW32257FCR，两者封装兼容，AW32207FCR 满足2A充电，AW32257FCR满足2.5A充电，主要应用于手机、平板、POS机、蓝牙音箱、玩具、数码相机等。

- 具体产品特性 -

电压精度±0.5%(25°C)、±1%(0°C~ 85°C)，充电电流精度±5%

I²C接口，可配置VIN DPM阈值，配置充电电压(3.5V~4.5V)，智能充电截止算法

2.0A(AW32207FCR)和2.5A(AW32257FCR)充电电流

充电效率高达95%

输入最大耐压值20V

不良适配器检测和电池移除检测

强大的保护功能：VBUS OVP，电池OVP，反漏电保护，热保护

充电状态和故障指示

5.05V，1A OTG输出

图4 AW32207典型应用电路

Charger Pump充电

AW32270CSR AW32280CSR

Charger Pump充电，主要用于更大功率快充，比如40W，60W，甚至100W以上。艾为有40W CP 2:1 的AW32270CSR，也有60W CP 4:1 的AW32280CSR，那么4：1的Charger Pump充电芯片是怎么工作的呢?分为Phase 1和Phase 2。

图5 Phase1工作过程

上半周期：Q1 & Q7 turn on，CFL1上极板=VBUS=20V，下极板=VBAT=5V，经过Q7进电池。

Q3 & Q6 & Q7 turn on，CFLY2上极板=10V，下极板=0V，CFL2给CFLY3+电池充电，CFLY3上极板=10V，下极板=5V，经过Q7进电池，Q7流过两组电流之和。

图6 Phase2工作过程

下半周期：Q4 & Q8 turn on，CFL3给VBAT充电，CFLY3上极板=5V，下极板=0V，电流来自Q8，Q8 & Q2 & Q5 turn on，CFLY1上极板=15V，下极板=0V。CFL1给CFLY2+电池充电，电流来自Q8，CFLY2上极板=15V，下极板=VBAT=5V。Q8流过两组电流之和。

以上为Phase1工作过程，Phase 1和Phase 2共用一个开关时钟，开关状态相反。

Phase 1：Q1，Q3，Q6，Q7导通时，Phase 2：Q2，Q4，Q5，Q8导通

Phase 2：Q1，Q3，Q6，Q7导通时，Phase 1：Q2，Q4，Q5，Q8导通

- AW32280CSR产品特性 -

单芯片最高功率60W(20V/3A)

支持正向4:1，21以及反向1:4，1:2,1:1

F41下充电效率96.4%@8A/4.5V，每FLY电容为4*22uF

最多支持4颗芯片并联充电(不同I²C SLAVE地址)

支持片间均流功能，避免不同芯片间电流不均衡

输入同时支持无线充电输入和USB有线输入

内部集成12bit ADC，采样VBUS，IBUS，VBAT，IBAT，VOUT，TBAT，TDIE，USB，PSW信息

内部集成30重充电安全防护

艾为充电芯片选型表

- 线性充电 -

图7 艾为线性充电产品选型表

- 开关充电 -

图8 艾为开关充电产品选型表

- Charger Pump充电 -

图9 艾为Charger Pump充电产品选型表