估算DS2715 NiMH電池充電器的開(kāi)關(guān)速度

摘要：DS2715電池充電器的開(kāi)關(guān)速度因充電模式、電感選擇和電池電壓而有所不同。某些情況下，需要了解各種條件下的開(kāi)關(guān)速度,以解決噪聲靈敏度、峰值充電電流和電感選擇限制等問(wèn)題。本應(yīng)用筆記提供了一個(gè)簡(jiǎn)便易用的數(shù)據(jù)表來(lái)幫助評(píng)估不同元件、電池參數(shù)和充電模式下的電路開(kāi)關(guān)速度。

引言

DS2715電池充電器設(shè)計(jì)工作在開(kāi)關(guān)模式時(shí)，迅速確定電路的開(kāi)關(guān)頻率范圍非常有用。了解并控制開(kāi)關(guān)頻率可以幫助優(yōu)化電感選擇，為晶體管的選擇以及PCB布板提供指導(dǎo)。在利用DS2715進(jìn)行NiMH電池充電的不同階段，對(duì)電源電流的不同需求以及不同的電池電壓都會(huì)使工作頻率在很大的范圍內(nèi)發(fā)生變化。本應(yīng)用筆記對(duì)DS2715開(kāi)關(guān)模式下的充電電路進(jìn)行了分析，同時(shí)提供一個(gè)簡(jiǎn)便易用的數(shù)據(jù)表來(lái)幫助估算不同工作點(diǎn)的開(kāi)關(guān)頻率。

電路原理

圖1所示電路為buck開(kāi)關(guān)充電器的等效電路，電池和檢流電阻相當(dāng)于負(fù)載。DS2715將RSENSE的電壓調(diào)節(jié)到預(yù)設(shè)數(shù)值。檢流電阻和預(yù)置的基準(zhǔn)電壓控制ICHARGE。對(duì)于NiMH電池，通常有4個(gè)充電階段—其中3個(gè)階段(預(yù)充電、快速充電和浮充)由檢流電阻的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)；第4個(gè)階段，即保持狀態(tài)，通過(guò)一條非穩(wěn)流環(huán)路提供連續(xù)的小電流充電，以補(bǔ)充電池的自放電。預(yù)充電和浮充狀態(tài)下的電流為快速充電狀態(tài)下平均充電電流的25%。DS2715通過(guò)調(diào)整VSENSE比較器的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓來(lái)降低ICHARGE。

電池組的狀態(tài)決定進(jìn)入哪個(gè)充電狀態(tài)。電池電壓低于1.0V時(shí)，采用預(yù)充模式緩慢地對(duì)電量將近耗盡的電池進(jìn)行充電。當(dāng)電池電壓高于1.0V、低于1.65V時(shí)采用快速充電模式，但也可能在達(dá)到其它條件時(shí)終止快速充電。快速充電持續(xù)預(yù)先設(shè)置的一段時(shí)間后進(jìn)入浮充模式。RPARASITIC是一個(gè)可選參數(shù)項(xiàng)，用于表示電池、保險(xiǎn)絲或其它非理想導(dǎo)體引線的寄生壓降。


圖1. DS2715開(kāi)關(guān)模式參考電路

用于調(diào)節(jié)檢流電阻電壓的控制電路包括一個(gè)帶有基準(zhǔn)的滯回比較器，比較器輸出驅(qū)動(dòng)一個(gè)開(kāi)漏輸出引腳。預(yù)充和浮充模式下的滯回電壓約為快充模式下的25%，因?yàn)檫@些模式下使用的基準(zhǔn)電壓較低。開(kāi)關(guān)速度取決于ICHARGE從一個(gè)峰值到達(dá)另一個(gè)峰值然后返回需要的時(shí)間，包括反饋電路及開(kāi)關(guān)切換QSW和DCATCH的所有延時(shí)。這些延時(shí)會(huì)使ICHARGE超過(guò)比較器的一個(gè)或兩個(gè)門(mén)限，從而導(dǎo)致高于標(biāo)稱值的峰值變化。圖2給出了一個(gè)理想的開(kāi)關(guān)控制波形，圖3則為QSW出現(xiàn)過(guò)長(zhǎng)關(guān)閉延時(shí)的波形。


圖2. 理想的充電電流控制波形(沒(méi)有按比例繪制)


圖3. QSW斷開(kāi)緩慢的充電電流控制波形(沒(méi)有按比例繪制)

計(jì)算方法

ICHARGE的變化率由電感L的電壓和電流間的關(guān)系式?jīng)Q定：

V = L × di/dt和dt = L × di/V

由此，QSW的開(kāi)、關(guān)狀態(tài)持續(xù)時(shí)間會(huì)隨著每種狀態(tài)下L的電壓及ICHARGE從峰值到峰值的變化而不同。ICHARGE的峰峰值由充電模式的滯回電壓及導(dǎo)致比較器電平過(guò)沖的任何控制電路延時(shí)決定。有關(guān)檢流比較器的快速充電基準(zhǔn)電壓(VFC)和滯回電壓(VHYS_FC)的定義請(qǐng)參考DS2715數(shù)據(jù)資料。

為了簡(jiǎn)化開(kāi)關(guān)速度的近似計(jì)算，假設(shè)每個(gè)QSW狀態(tài)下電感電壓保持穩(wěn)定不變。此外，我們還假設(shè)VSENSE從峰值到峰值的中點(diǎn)[VFC + (0.5 × VHYS_FC)]保持合理的穩(wěn)態(tài)條件，以便計(jì)算每種狀態(tài)下的電感電壓。經(jīng)過(guò)上述簡(jiǎn)化，可以計(jì)算出QSW_ON和QSW_OFF狀態(tài)下圖1所示參考電路的環(huán)路電壓，按照下式可以得到給定電池電壓下的電感電壓：

VL(QSW_ON) = VIN - VDIODE - VQSW - VPAR - VBATT - VSENSE(公式1)

VL(QSW_OFF) = VPAR + VBATT + VSENSE + VDCATCH(公式2)

由于電池電壓在快速充電模式下的電壓范圍為1.0V到1.65V，可以首先計(jì)算電感電壓，然后計(jì)算幾個(gè)工作點(diǎn)的開(kāi)關(guān)速度。我們提供了一個(gè)數(shù)據(jù)表供用戶下載。該數(shù)據(jù)表可以幫助計(jì)算本應(yīng)用筆記介紹的快速充電模式下的3個(gè)不同的電池電壓以及預(yù)充、浮充模式下的電池組電壓。

計(jì)算出每種狀態(tài)、每個(gè)工作點(diǎn)的電感電壓后，將控制電路的延時(shí)合并到QSW的開(kāi)、關(guān)時(shí)間內(nèi)。根據(jù)我們的近似條件，首先使用以下公式計(jì)算由于QSW的開(kāi)、關(guān)延時(shí)導(dǎo)致的額外ICHARGE變化：

di(on delay) = dt × V(on)/L, 其中dt = tPDLY + tSW_OFF(公式3)

di(off delay) = dt × V(off)/L, 其中dt = tPDLY + tSW_ON(公式4)

電流的這一額外變化可以看作是ICHARGE由于控制信號(hào)或晶體管開(kāi)關(guān)延時(shí)而超出比較器門(mén)限。為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，我們假設(shè)電感電壓在每種狀態(tài)下保持不變。由于延時(shí)導(dǎo)致的額外變化被計(jì)入滯回引起的電流變化中，可以進(jìn)行如下計(jì)算：

di(Qsw_ON) = VHYS_FC/RSENSE + di(on delay)(公式5)

di(Qsw_OFF) = VHYS_FC/RSENSE + di(off delay)(公式6)

經(jīng)過(guò)調(diào)整的ICHARGE變化量代入理想的電感電壓等式，結(jié)合前面的電感電壓計(jì)算公式，確定QSW的總體開(kāi)、關(guān)時(shí)間。通常，雙極型晶體管有可能造成過(guò)長(zhǎng)的開(kāi)關(guān)延時(shí),需要在計(jì)算時(shí)加以特別考慮，但用戶也可以對(duì)MOSFET進(jìn)行建模計(jì)算。

本應(yīng)用筆記介紹的公式已制作成一份數(shù)據(jù)表，有助于簡(jiǎn)便估算DS2715開(kāi)關(guān)模式充電器的開(kāi)關(guān)速度。該數(shù)據(jù)表說(shuō)明了用戶必須輸入的每個(gè)參數(shù)或用戶可能選擇修改的參數(shù)(圖4)。


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圖4. 開(kāi)關(guān)速度計(jì)算表

第一組參數(shù)與參考電路的元件有關(guān)，第2部分包含計(jì)算過(guò)程中使用的電池組的工作點(diǎn)；第3部分描述了電流檢測(cè)比較器的內(nèi)部設(shè)置點(diǎn)。應(yīng)該將這一部分的默認(rèn)值與DS2715數(shù)據(jù)資料的數(shù)據(jù)進(jìn)行核對(duì)。最后一部分參數(shù)是DS2715的固有延時(shí)和需要考慮的由開(kāi)關(guān)電路引起的任何額外延時(shí)。

計(jì)算結(jié)果

在數(shù)據(jù)表的第1個(gè)表格中輸入應(yīng)用電路的參數(shù)后，可從第2個(gè)表格查看開(kāi)關(guān)頻率計(jì)算結(jié)果(圖5)。該表格顯示了每種模式和電池工作條件下的結(jié)果，以及得到最終開(kāi)關(guān)速度結(jié)果的部分中間結(jié)果。這些計(jì)算結(jié)果包括每種狀態(tài)下的電感電壓、由于延時(shí)導(dǎo)致的ICHARGE變化以及開(kāi)、關(guān)時(shí)間。


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圖5. 開(kāi)關(guān)速度計(jì)算結(jié)果

結(jié)論

通過(guò)估算與參考電路相關(guān)的開(kāi)關(guān)速度，還可以獲得更多信息?？梢钥闯?，影響DS2715開(kāi)關(guān)模式NiMH充電器的開(kāi)關(guān)速度的主要因素有電感值、ICHARGE、高于電池組電壓的VIN余量，有些情況下還可能需要考慮QSW的開(kāi)關(guān)延時(shí)。本文介紹的分析方法可用于估算這些電路的開(kāi)關(guān)速度，以便在必要時(shí)有效地調(diào)整開(kāi)關(guān)速度。