一種混合信號(hào)通用電池充電器設(shè)計(jì)

　　本文主要討論兩種最常見(jiàn)的化學(xué)電池：鋰離子電池和鎳氫電池。通過(guò)本文的討論，能夠設(shè)計(jì)出一種混合信號(hào)通用電池充電器，這種充電器可對(duì)這兩種電池進(jìn)行充電。

　　電池充電的系統(tǒng)考慮

　　要快速可靠地完成電池充電，需要高性能的充電系統(tǒng)。以下系統(tǒng)參數(shù)是設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)可靠的解決方案所必須考慮的。

　　輸入源

　　許多應(yīng)用都采用廉價(jià)的墻式適配器作為輸入電源，這種適配器的輸出電壓高度依賴(lài)于變化較大的交流輸入電壓以及適配器負(fù)載電流。通過(guò)汽車(chē)適配器充電也面臨同樣的問(wèn)題。汽車(chē)適配器的輸出電壓范圍通常為9V"18V。

　　輸出電壓穩(wěn)壓精度

　　對(duì)于鋰離子電池，為使電池容量的利用率達(dá)到最大，輸出電壓穩(wěn)壓精度至關(guān)重要。輸出電壓精度的微小降低都會(huì)導(dǎo)致電池容量大幅度減少。當(dāng)然，出于安全以及可靠性方面的考慮，輸出電壓并不能無(wú)限度提高。圖1示意了輸出電壓穩(wěn)壓精度的重要性。

　　充電結(jié)束方法

　　無(wú)論是鋰離子電池還是鎳氫電池，過(guò)充都是致命的弱點(diǎn)。對(duì)于安全可靠的充電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，精確的充電結(jié)束方法是非常關(guān)鍵的。

　　電池溫度監(jiān)控

　　可充電電池的充電溫度范圍通常在0°C"45°C之間，溫度超出此范圍時(shí)，對(duì)電池進(jìn)行充電會(huì)導(dǎo)致電池過(guò)熱。在充電過(guò)程中，電池內(nèi)部的壓力升高，因此，電池會(huì)膨脹，電池內(nèi)部的高溫和高壓會(huì)導(dǎo)致電池機(jī)械開(kāi)裂甚至爆炸，或者出現(xiàn)泄露。在0°C"45°C溫度范圍之外對(duì)電池進(jìn)行充電會(huì)損害電池性能，或者縮短其預(yù)期壽命。

　　電池放電電流或反向漏電流

　　在許多應(yīng)用中，即使輸入電源斷開(kāi)，充電系統(tǒng)仍然與電池相連，因此，充電系統(tǒng)必須保證此時(shí)電池的漏電流盡可能小。允許的最大漏電流應(yīng)當(dāng)小于幾個(gè)mA，比較理想的情況是低于1mA。

　　圖1 電池容量損失與充電電壓不足的關(guān)系

　　電池充電器設(shè)計(jì)

　　考慮到前面的系統(tǒng)因素，可以開(kāi)發(fā)出合適的充電管理系統(tǒng)。

　　線(xiàn)性解決方案

　　當(dāng)輸入源穩(wěn)壓良好時(shí)，可以采用線(xiàn)性充電解決方案。Microchip的MCP738xx 線(xiàn)性電池充電器系列就是一個(gè)線(xiàn)性充電解決方案的例子。在這些應(yīng)用中，線(xiàn)性解決方案提供了諸多優(yōu)點(diǎn)，如易于使用、尺寸小以及低成本。

　　開(kāi)關(guān)式充電解決方案

　　對(duì)于輸入電壓范圍較寬的情況，如無(wú)穩(wěn)壓的AC-DC墻式適配器或汽車(chē)DC輸入，開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓器可以將電池充電器內(nèi)部的功率損耗降到合理的水平。

　　選擇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定了穩(wěn)壓器開(kāi)關(guān)和無(wú)源濾波元件的構(gòu)成。這種構(gòu)成的差異隨拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇而變化，從而要在復(fù)雜性、效率、噪聲以及輸出電壓范圍之間權(quán)衡。電源轉(zhuǎn)換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)很多，但只有幾種適用于5W"50W范圍的電池充電器。

　　降壓穩(wěn)壓器

　　降壓穩(wěn)壓器是電池充電應(yīng)用的一種常用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。降壓穩(wěn)壓器具有以下優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)：

　　優(yōu)點(diǎn)：1. 復(fù)雜性低、單電感結(jié)構(gòu)。2. 對(duì)于同步應(yīng)用，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)90%。

　　缺點(diǎn)：1. 降壓穩(wěn)壓器MOSFET開(kāi)關(guān)集成的二極管在沒(méi)有輸入電壓時(shí)會(huì)構(gòu)成一個(gè)電池放電通路。因此需要一個(gè)額外的阻斷二極管，增加額外器件的同時(shí)也導(dǎo)致系統(tǒng)中出現(xiàn)額外的壓降。2. 降壓穩(wěn)壓器的輸入電流是脈沖式或間歇的。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在電源的輸入端產(chǎn)生較高的電磁干擾(EMI)。大多數(shù)降壓穩(wěn)壓器都需要額外的輸入EMI濾波。3. 降壓穩(wěn)壓器只能對(duì)比輸入電壓低的輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)壓。有些應(yīng)用的輸入電壓范圍寬，覆蓋到必需的輸出電壓范圍。對(duì)于對(duì)多節(jié)鋰離子電池單元組成的電池組進(jìn)行充電的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這種情況很常見(jiàn)。4. 發(fā)生降壓開(kāi)關(guān)短路故障時(shí)，輸入至電池之間短路。對(duì)于不具備電池內(nèi)部保護(hù)的鎳氫電池，就會(huì)引發(fā)安全問(wèn)題。5. 降壓穩(wěn)壓器需要高端驅(qū)動(dòng)(對(duì)N通道MOSFET開(kāi)關(guān))，與低端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，這會(huì)帶來(lái)更大的復(fù)雜性。6. 脈寬調(diào)制(PWM)控制器應(yīng)用中的外部開(kāi)關(guān)電流檢測(cè)比較復(fù)雜。對(duì)于電池短路或負(fù)載短路等故障模式來(lái)說(shuō)，限制開(kāi)關(guān)電流非常重要，沒(méi)有高速開(kāi)關(guān)電流限制能力，電池充電器在發(fā)生短路時(shí)會(huì)被損壞。