估算DS2712 NiMH電池充電器的開關(guān)速度

　　引言

　　設(shè)計(jì)開關(guān)模式電池充電器DS2712時(shí)，迅速確定電路的開關(guān)頻率范圍非常有用。了解并控制開關(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)。對(duì)于DS2712，由于所有充電模式下的參考電壓是固定的，因此充電模式不會(huì)影響開關(guān)頻率(在DS2715中，充電模式則會(huì)影響開關(guān)頻率)。開關(guān)頻率的設(shè)置主要由電感完成，而電池電壓的變化則是引起開關(guān)頻率變化的主要因素。本應(yīng)用筆記對(duì)DS2712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)表來幫助估算開關(guān)頻率。

　　電路原理

　　圖1所示電路為buck開關(guān)充電器的等效電路，電池和檢流電阻相當(dāng)于負(fù)載。DS2712在所有充電模式下將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—這4個(gè)階段(預(yù)充電、快速充電、浮充和保持)均由DS2712檢流電阻的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。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%，保持模式下的電流為快速充電狀態(tài)下電流的1/64。

　　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)充電模式緩慢地對(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?？焖俪潆姵掷m(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. DS2712開關(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)開漏輸出引腳。通過QCC以及CC輸出引腳(圖中沒有示出)來改變各開關(guān)模式下的占空比。QCC導(dǎo)通時(shí)的開關(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，包括反饋電路及開關(guān)切換QSW和DCATCH的所有延時(shí)。這些延時(shí)會(huì)使ICHARGE超過比較器的一個(gè)或兩個(gè)門限，從而導(dǎo)致高于標(biāo)稱值的峰值變化。圖2給出了一個(gè)理想的開關(guān)控制波形，圖3則為QSW出現(xiàn)過長(zhǎng)關(guān)閉延時(shí)的波形。

　　圖2. 理想的充電電流控制波形(沒有按比例繪制)

　　圖3. QSW斷開緩慢的充電電流控制波形(沒有按比例繪制)

　　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 (公式1)

　　由此，QSW的開、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)致比較器電平過沖的任何控制電路延時(shí)決定。有關(guān)檢流比較器的基準(zhǔn)電壓(VIREF)和滯回電壓(VHYS_COMP)的定義請(qǐng)參考DS2712數(shù)據(jù)資料。

　　為了簡(jiǎn)化開關(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)[VIREF - (0.5 × VHYS_COMP)]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 - VQCC - VPAR - VBATT - VSENSE (公式2)

　　VL(QSW_OFF) = VQCC + VPAR + VBATT + VSENSE + VDCATCH (公式3)

　　由于電池電壓在快速充電模式下的電壓范圍為1.0V至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、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、關(guān)延時(shí)導(dǎo)致的額外ICHARGE變化：

　　di(on delay) = dt × V(on)/Lm，其中dt = tPDLY + tSW_OFF (公式4)

　　di(off delay) = dt × V(off)/L，其中dt = tPDLY + tSW_ON (公式5)

　　電流的這一額外變化可以看作是ICHARGE由于控制信號(hào)或晶體管開關(guān)延時(shí)而超出比較器門限。為簡(jiǎn)便起見，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_COMP/RSENSE + di(on delay) (公式6)

　　di(QSW_OFF) = VHYS_COMP/RSENSE + di(off delay) (公式7)

　　經(jīng)過調(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、關(guān)時(shí)間。通常，雙極型晶體管有可能造成過長(zhǎng)的開關(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DS2712開關(guān)模式充電器的開關(guān)速度。該數(shù)據(jù)表說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)。

　　圖4. 開關(guān)速度計(jì)算表

　　第一組參數(shù)與參考電路的元件有關(guān)；第二部分包含計(jì)算過程中使用的電池組的工作點(diǎn)；第三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DS2712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DS2712的固有延時(shí)和需要考慮的由開關(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、關(guān)時(shí)間。

　　圖5. 開關(guān)速度計(jì)算結(jié)果

　　結(jié)論

　　通過估算與參考電路相關(guān)的開關(guān)速度，還可以獲得更多信息?？梢钥闯?，影響DS2712開關(guān)模式NiMH充電器的開關(guān)速度的主要因素有電感值、ICHARGE、高于電池組電壓的VIN裕量，有些情況下還可能需要考慮QSW的開關(guān)延時(shí)。本文介紹的分析方法可用于估算這些電路的開關(guān)速度，以便在必要時(shí)有效地調(diào)整開關(guān)速度。