一種混合信號通用電池充電器設計

　　線(xiàn)性解決方案

　　當輸入源穩壓良好時(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

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

　　選擇拓撲結構

　　開(kāi)關(guān)式穩壓器拓撲結構決定了穩壓器開(kāi)關(guān)和無(wú)源濾波元件的構成。這種構成的差異隨拓撲結構的選擇而變化，從而要在復雜性、效率、噪聲以及輸出電壓范圍之間權衡。電源轉換器的拓撲結構很多，但只有幾種適用于5W50W范圍的電池充電器。

　　降壓穩壓器

　　降壓穩壓器是電池充電應用的一種常用拓撲結構。降壓穩壓器具有以下優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)：

　　優(yōu)點(diǎn)：1. 復雜性低、單電感結構。2. 對于同步應用，轉換效率可達90%。

　　缺點(diǎn)：1. 降壓穩壓器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)也導致系統中出現額外的壓降。2. 降壓穩壓器的輸入電流是脈沖式或間歇的。這種拓撲結構在電源的輸入端產(chǎn)生較高的電磁干擾(EMI)。大多數降壓穩壓器都需要額外的輸入EMI濾波。3. 降壓穩壓器只能對比輸入電壓低的輸出電壓進(jìn)行穩壓。有些應用的輸入電壓范圍寬，覆蓋到必需的輸出電壓范圍。對于對多節鋰離子電池單元組成的電池組進(jìn)行充電的應用來(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。對于不具備電池內部保護的鎳氫電池，就會(huì )引發(fā)安全問(wèn)題。5. 降壓穩壓器需要高端驅動(dòng)(對N通道MOSFET開(kāi)關(guān))，與低端拓撲結構相比，這會(huì )帶來(lái)更大的復雜性。6. 脈寬調制(PWM)控制器應用中的外部開(kāi)關(guān)電流檢測比較復雜。對于電池短路或負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。

　　SEPIC(單端初級電感)穩壓器

　　SEPIC穩壓器的拓撲結構在電池充電應用中也比較普遍。與降壓穩壓器和其它拓撲結構相比，SEPIC穩壓器結構具有很多優(yōu)點(diǎn)，當然也有一些缺點(diǎn)。

　　優(yōu)點(diǎn)：1. 阻斷二極管內建于電池系統的拓撲結構中，因此，不需要額外的元件，也不會(huì )導致額外的損失。2. 與降壓穩壓器的脈沖式輸入電流相比，從電源汲取的輸入電流是連續的(平滑的)。3. 輸入至輸出是隔離的，因此在開(kāi)關(guān)短路時(shí)可以保護負載或電池。4. SEPIC穩壓器的拓撲結構具有升壓或降壓能力。5. SEPIC開(kāi)關(guān)是低端驅動(dòng)結構，簡(jiǎn)化了柵極驅動(dòng)以及開(kāi)關(guān)中的電流檢測。6. 次級側電感平均電流等于電池電流，因此檢測電流不需要在電池低端串聯(lián)電阻。

　　缺點(diǎn)：1. 需要兩個(gè)電感或一個(gè)耦合電感。 2. 需要一個(gè)耦合電容，對于大功率(> 50W)，或高電壓(VIN > 100V)應用，成本較高。

　　開(kāi)關(guān)式電池充電器設計

　　通過(guò)將設計劃分為兩部分，可以開(kāi)發(fā)出經(jīng)濟的智能電池充電器系統。電池充電器實(shí)質(zhì)上是混合信號系統。例如，電源部分(本例中即SEPIC穩壓器)是模擬的。電源以高頻開(kāi)/關(guān)，需要某種模擬驅動(dòng)電路。另一方面，充電結束定時(shí)器、故障管理以及開(kāi)/關(guān)控制一般是數字化控制的，需要定時(shí)器和可編程能力。

　　電池充電器技術(shù)參數

　　輸入電壓：6V20V

　　輸出電壓：0V4.2V(單節電池)， 0V8.4V(兩節電池)

　　預充電流：200 mA

　　預充閾值：3V

　　恒流充電：2A充電

　　結束閾值：100 mA(觸發(fā)充電周期結束的電流值)

　　特性：過(guò)壓保護(電池移除)

　　過(guò)流保護(電池或負載短路)

　　檢測電池溫度：保證充電安全