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為便攜式產(chǎn)品提供高性能的電池充電器

作者: 時間:2006-05-07 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏


筆記本電腦等便攜式產(chǎn)品對電池的體積、重量及電池的壽命都有嚴格的要求,其電池標(biāo)準配置是Li+電池。最近,鋰聚合物電池也成為其發(fā)展方向之一,這類電池可以根據(jù)需要做成各種不同的復(fù)雜形狀,可廣泛應(yīng)用于手機,手持PC以及各種小型手持產(chǎn)品中。由于鋰聚合物電池與Li+電池的化學(xué)特性相似,因此,它們的充電方式幾乎相同,主要差別僅在于終止充電電壓及充電電流不一樣。

對Li+電池,傳統(tǒng)的充電方法是采用恒流,恒壓充電法。恒流充電法應(yīng)用于電池充電初始階段,此時電池電壓較低。當(dāng)電池電壓逐漸升高到達預(yù)定的限制電平時,充電器則由恒流方式轉(zhuǎn)為恒壓充電方式,直到充電電流減小至接近于零時才終止充電過程,保證電池被完全充滿電。在恒壓充電過程中,充電電流由于電池內(nèi)阻及串聯(lián)寄生電阻作用,以指數(shù)函數(shù)曲線逐漸減小,類似于通過電阻對電容器充電過程。由于是以指數(shù)函數(shù)方式下降,因此一個完全的滿充電過程需要很長時間才能完成。由于電池充電過程中具有電壓限制保護,因此恒流充電并不需要精確的充電電流,反而對限制電壓的精度要求很高,高于1%的精度,這是因為:電池電壓越高,其儲存的能量越多,過高的電壓將導(dǎo)致電池損壞。電池即使在恒流充電時以很大的電流充電(大于1C,C是電池容量,以安-時數(shù)表示),對縮短電池充電時間改善也不大,這是因為,受電池物理,化學(xué)特性限制,恒壓充電過程占電池充電過程絕大部分時間,而恒流過程僅占小部分。

采用線性充電器是Li+電池充電方式之一,如圖1所示,輸入電源通常采用直流電源或交流適配器,利用IC1驅(qū)動外部PNP管產(chǎn)生充電所需要的電壓和電流。而電路中的PIC單片機則通過其PWM輸出不同,實現(xiàn)對充電電壓和電流的控制。通過編程控制可產(chǎn)生各種不同的輸出電壓和電流,因此該電路可實現(xiàn)對各種不同化學(xué)特性的電池充電。在許多系統(tǒng)中,利用系統(tǒng)已有的微控制器PWM輸出端可實現(xiàn)對充電器的程控。如果充電器專為某一種電池而設(shè)計,通過改變外部電阻控制充電電壓和電流,充電電路可進一步得到簡化。

雖然線性充電器電路簡便,體積也不大,但其功率消耗較大。考慮到單節(jié)Li+電池的電壓范圍為:2.7V~4.2V,為了保證4.2V時對電池充電,輸入直流源的電壓必須大于4.5V,因此采用具有10%容余度的、廉價的交流適配器時,其輸出電壓范圍應(yīng)該在4.5V~5.5V之間。充電器PNP管消耗最大功率的情況出現(xiàn)在:輸入電壓最高(5.5V)且電池電壓最低(2.7V)時??紤]典型的充電電流:1A(10%,則PNP管消耗的最大功率為:(5.5-2.7)X1.1>3W。3W的功耗在手機、PDA等手持終端內(nèi)部引起的溫升效應(yīng)相當(dāng)可觀,有可能造成系統(tǒng)不能正常工作。

當(dāng)必須采用內(nèi)置充電結(jié)構(gòu)時,只有采用開關(guān)模式充電器解決效率問題(見圖2),圖中的IC利用外部兩只功率MOSFET管對源電壓進行斬波,然后通過濾波電路處理得到電池充電所需要的電流和電壓。這些MOSFET管的作用就如同開關(guān)一樣,要么導(dǎo)通,要么斷開。導(dǎo)通時,充電電流在MOSFET上產(chǎn)生的壓差很小;斷開時,MOSFET承受大的壓差但電流為零,因此功率器件上消耗的功耗很?。篜=VxI,且受輸入電壓,充電電壓,電流變化影響不大。利用圖2電路,可以在很寬的輸入電壓、 充電電壓、充電電流范圍內(nèi)獲得很高的轉(zhuǎn)換效率(>90%),其代價是電路比較復(fù)雜,體積較大,成本較高。

圖3是一種新的恒流脈沖電池充電方法,它結(jié)合了直流和開關(guān)充電方式的優(yōu)點,利用外部限流型交流適配器限制充電電流。該交流適配器被切換到電池,進行恒流充電。當(dāng)電池電壓上升到限制電壓時,該電流源以脈沖方式接通到電池,其平均電流就是電池所需充電電流,電池電壓不會過壓。該方式產(chǎn)生的功耗很低,因為工作原理類似于開關(guān)電源,要么接通,要么斷開,而且電路簡單,如同線性充電器,無須輸出濾波電路。雖然外部交流適配器有可能消耗較大功率(與外部適配器工作方式有關(guān)),但如果不超出容許的最高安全溫度范圍,它不會對電池和便攜式設(shè)備帶來任何不利影響。

圖3中的PMOS管實現(xiàn)對限流源與電池的通斷,由于電路中的充電器芯片采用了微型的uMAX封裝,而外部PMOS管采用SOT-23封裝,因此該電路比圖2電路簡單,體積小。除了MAX1679和PMOS外,僅需兩個電容和一個電阻即可構(gòu)成一個完整的Li+電池充電器。(可調(diào)電阻,LED,肖特基二極管及熱敏電阻均為可選擇器件)。MAX1679還具有一定的電池保護功能,如果對過放電電池(低于2.5V)快速充電,將縮短電池壽命。MAX1679在進行充電之前檢測電池電壓,根據(jù)需要,利用內(nèi)部5mA的電流源對電池進行預(yù)充電,把電池電壓提升到2.5V,然后再啟動快速充電過程。MAX1679另一功能是通過外部連接的熱敏電阻對溫度檢測。對于Li+電池,如果充電時溫度超過0~50(C范圍,將影響電池壽命。一旦MAX1679檢測到電池溫度超出容許范圍,則終止電池充電,直到電池溫度恢復(fù)到正常范圍時才開始充電。為了指示充電過程,MAX1679還包括一充電過程監(jiān)測輸出端,利用它驅(qū)動外部LED,反映充電過程。

隨著便攜式產(chǎn)品體積越來越小,電路越來越復(fù)雜,對電池充電器提出了更嚴格的要求,充電器是保證最大限度利用電池容量的關(guān)鍵。通過把功率消耗轉(zhuǎn)移到便攜式設(shè)備外部、遠離電池,可改善便攜產(chǎn)品的性能,減小電池壓力。雖然傳統(tǒng)的線性和開關(guān)充電方式仍然具有一定市場,但限流型脈沖式充電器減小了便攜式產(chǎn)品體積,改善了其性能,因而具有更廣闊的應(yīng)用范圍。



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