電池充電新方法——USB

圖4. 功耗等于電池充電電流乘以調(diào)整管兩端的電壓

　　對(duì)應(yīng)5V標(biāo)稱輸入電壓，調(diào)整器件消耗的功率與電池類型、數(shù)量和電池電壓有關(guān)。

圖5. 采用5.0V電壓的USB端口對(duì)NiMH電池充電時(shí)，線性調(diào)整器件的功耗

　　標(biāo)稱輸入電壓為5.0V時(shí)，線性USB充電器對(duì)NiMH電池充電的功耗計(jì)算結(jié)果如圖5所示。對(duì)單節(jié)電池充電時(shí)，線性充電器的效率僅為30%；對(duì)兩節(jié)電池充電時(shí)，效率為60%。用500mA電流對(duì)單節(jié)電池充電時(shí)，功耗會(huì)高達(dá)2W。這樣的功耗通常需要加散熱器。功耗為2W時(shí)，熱阻為+20°C/W的散熱器在+25°C環(huán)境溫度下會(huì)被加熱至大約+65°C，要得到滿額性能，還需要有流動(dòng)空氣來(lái)協(xié)助其散熱。處于空氣靜止的封閉空間內(nèi)，溫度會(huì)更高。

　　采用基于開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器的充電器可解決多個(gè)問(wèn)題。首先，與線性充電器相比，能夠以更快的速率、更大的電流對(duì)電池進(jìn)行充電（圖6）。由于功耗較低、發(fā)熱較少，熱管理方面的問(wèn)題也減少了。同時(shí)，由于運(yùn)行溫度降低，充電器更加可靠。

圖6. 對(duì)單節(jié)NiMH電池充電時(shí)，線性充電器和開(kāi)關(guān)充電器的充電時(shí)間不同

　　圖6中的計(jì)算結(jié)果基于以下條件和假設(shè)得到：采用高功率USB口最大允許電流（500mA）的大約90%充電；開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器采用非同步整流的buck轉(zhuǎn)換器，具有77%效率。

　　2.4 電路實(shí)例

　　圖7所示電路是用于單節(jié)NiMH電池充電的開(kāi)關(guān)模式降壓型調(diào)節(jié)器。它采用DS2712充電控制器調(diào)節(jié)充電電流和終止充電。充電控制器監(jiān)視溫度、電池電壓和電池電流。如果溫度超過(guò)+45°C或者低于0°C，控制器不會(huì)對(duì)電池充電。

圖7. USB端口對(duì)單節(jié)NiMH電池快速充電的原理圖

　　如圖7所示，Q1是降壓型充電器的開(kāi)關(guān)功率晶體管；L1是濾波電感；D1是續(xù)流或整流二極管。輸入電容C1為10?F、超低ESR的陶瓷濾波電容。用鉭電容或者其它電解電容替代C1會(huì)使充電器的性能降低。R7是電流調(diào)節(jié)器檢測(cè)放大器的檢流電阻。DS2712的基準(zhǔn)電壓為0.125V，并具有24mV滯回。通過(guò)CSOUT提供閉環(huán)、開(kāi)關(guān)模式電流控制。充電控制引腳CC1將Q2的柵極拉低時(shí)，使能Q1的柵極驅(qū)動(dòng)。Q1和Q2均為低Vt （柵-源門(mén)限電壓）的pMOSFET。CC1和CSOUT均為低電平時(shí)，Q2的漏-源電壓將稍大于Vt。該電壓以及CSOUT的正向壓降構(gòu)成了Q1的柵極開(kāi)關(guān)電壓。CC1為低電平時(shí)，啟動(dòng)電流閉環(huán)控制。圖8所示為啟動(dòng)開(kāi)關(guān)時(shí)的波形。上方波形是0.125Ω （檢流電阻兩端的電壓，下方波形是Q1漏極至GND的電壓。開(kāi)始時(shí)，當(dāng)Q1打開(kāi)（CC1和CSOUT均為低電平）時(shí)，電感電流向上爬升。當(dāng)電流增大到使檢流電阻兩端的電壓達(dá)到0.125V時(shí)，CSOUT變?yōu)楦唠娖?，開(kāi)關(guān)關(guān)斷。此后，電感電流開(kāi)始下降，直到檢流電阻兩端的電壓達(dá)到約0.1V，CSOUT又變?yōu)榈碗娖健Ｖ灰狢C1為低電平，該過(guò)程將一直持續(xù)。

圖8. USB NiMH充電器的啟動(dòng)波形

　　DS2712的內(nèi)部狀態(tài)機(jī)控制著CC1的工作。充電開(kāi)始時(shí)，DS2712先對(duì)電池進(jìn)行狀態(tài)測(cè)試，以確保電池電壓在1.0V至1.65V之間，并確認(rèn)溫度在0°C至+45°C之間。如果電壓低于1.0V，DS2712將以0.125的占空比拉低CC1，對(duì)電池緩慢充電，以防損壞電池。一旦電池電壓超過(guò)1.0V后，狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)為快充模式?？斐鋾r(shí)占空比為31/32，即大約97%?！疤^(guò)”的間隙內(nèi)進(jìn)行電池阻抗測(cè)試，以確保不會(huì)對(duì)錯(cuò)誤放入充電器的高阻抗電池（例如堿性電池）進(jìn)行充電。檢測(cè)到-2mV的-ΔV后，快充結(jié)束。如果未檢測(cè)到-ΔV，將持續(xù)快充，直到快充定時(shí)器超時(shí)，或檢測(cè)到過(guò)溫或者過(guò)壓故障狀態(tài)（包括阻抗不合格）為止?？斐渫瓿桑ㄓ捎?ΔV或快充定時(shí)器超時(shí)） 后，DS2712進(jìn)入定時(shí)補(bǔ)足充電模式，占空比為12.5%，持續(xù)時(shí)間為所設(shè)快充定時(shí)的一半。補(bǔ)足充電完成后，充電器進(jìn)入維持模式，占空比為1/64，直到電池被拿走或重新上電。

　　采用圖7所示充電器和大功率USB端口對(duì)2100mAh NiMH電池充電時(shí)，快充時(shí)間為2小時(shí)多一點(diǎn)，大約3個(gè)小時(shí)完成包括補(bǔ)足充電在內(nèi)的全部充電過(guò)程。從端口吸取的電流為420mA。如果需要與主機(jī)進(jìn)行枚舉過(guò)程，并需要大電流使能操作，可在R9和地之間串聯(lián)一個(gè)開(kāi)漏極nMOSFET。如果MOSFET關(guān)斷，則TMR浮空，DS2712進(jìn)入掛起狀態(tài)。

　　3 總結(jié)

　　對(duì)于小型消費(fèi)類電子設(shè)備的電池充電而言，USB端口是一個(gè)經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的電源。為完全符合USB 2.0規(guī)范，連接在USB端口上的負(fù)載必須能夠與主機(jī)進(jìn)行雙向通信。負(fù)載也必須符合電源管理要求，包括低功耗模式，以及便于主機(jī)確定何時(shí)需要從端口吸取大電流的手段。盡管部分兼容的系統(tǒng)能夠適應(yīng)大部分USB主機(jī)，但有時(shí)會(huì)出現(xiàn)意想不到的結(jié)果。只有很好地理解USB規(guī)范要求和負(fù)載的期望，才能在對(duì)于規(guī)范的兼容性與負(fù)載復(fù)雜度之間取得較好的平衡。