一種混合信號通用電池充電器設計

　　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。