為電池充電器開(kāi)發(fā)經(jīng)濟的混合信號充電系統

引言

隨著(zhù)電池供電的電子設備越來(lái)越流行并且功能越來(lái)越強大，對電池充電器設計提出了更高的要求。只需采用標準元器件，電池充電器設計就可以同時(shí)具有靈活性和質(zhì)優(yōu)價(jià)廉兩方面的優(yōu)點(diǎn)?；旌闲盘栐O計能夠更方便地為系統增加新的特殊功能。
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，能夠設計出一種混合信號通用電池充電器，這種充電器可對這兩種電池進(jìn)行充電。

電池充電的系統考慮

要快速可靠地完成電池充電，需要高性能的充電系統。以下系統參數是設計經(jīng)濟可靠的解決方案所必須考慮的。

輸入源

許多應用都采用廉價(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。

輸出電壓穩壓精度

對于鋰離子電池，為使電池容量的利用率達到最大，輸出電壓穩壓精度至關(guān)重要。輸出電壓精度的微小降低都會(huì )導致電池容量大幅度減少。當然，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示意了輸出電壓穩壓精度的重要性。

充電結束方法

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)。對于安全可靠的充電系統來(lái)說(shuō)，精確的充電結束方法是非常關(guān)鍵的。

電池溫度監控

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)，對電池進(jìn)行充電會(huì )導致電池過(guò)熱。在充電過(guò)程中，電池內部的壓力升高，因此，電池會(huì )膨脹，電池內部的高溫和高壓會(huì )導致電池機械開(kāi)裂甚至爆炸，或者出現泄露。在0°C~45°C溫度范圍之外對電池進(jìn)行充電會(huì )損害電池性能，或者縮短其預期壽命。

電池放電電流或反向漏電流

在許多應用中，即使輸入電源斷開(kāi)，充電系統仍然與電池相連，因此，充電系統必須保證此時(shí)電池的漏電流盡可能小。允許的最大漏電流應當小于幾個(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

電池充電器設計

考慮到前面的系統因素，可以開(kāi)發(fā)出合適的充電管理系統。

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5W~50W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：6V~20V
輸出電壓：0V~4.2V(單節電池)， 0V~8.4V(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

策略和方法

對混合信號的設計采用分兩部分的方式，首先選擇單片機，用于讀取電池組狀態(tài)(電壓和溫度)，并對SEPIC穩壓器輸出電流編程，本文選擇使用PIC12F6838引腳閃存單片機。

然后，再選擇內置MOSFET驅動(dòng)器的高速模擬PWM控制器(如MCP1630)，組成“模擬”可編程電流源。

設計SEPIC可編程電流源

與所有開(kāi)關(guān)式穩壓器設計一樣，輸出是通過(guò)改變占空比，或開(kāi)關(guān)導通時(shí)間的比例(Q1，見(jiàn)圖2)來(lái)控制的。為穩定流入電池的電流，必須檢測充電電流。如圖2所示，電流檢測元件并沒(méi)有與電池串聯(lián)。SEPIC穩壓器次級繞組Ls承載平均輸出電流。初級繞組Lp承載平均輸入電流。次級電阻Rs用來(lái)檢測電池充電電流。高速模擬PWM參考輸入則決定電池充電電流。
&