便攜式儀器需要高性能充電器
加入技術(shù)交流群
近幾年來(lái)，電池技術(shù)有了長(cháng)足的發(fā)展，其中鋰離子和鋰聚合物電池最為流行。為了使這些電池獲得最佳性能，充電器技術(shù)必須跟上電池技術(shù)的發(fā)展。
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/2969.htm筆記本電腦所使用的電池，無(wú)論大小、重量還是壽命都很關(guān)鍵。由于鋰離子和鋰聚合物相似，所以它們的充電方式幾乎相同，主要區別在于端電壓和充電電流。
鋰離子電池的傳統充電方式是采用恒流和恒壓。當電池的電壓較低時(shí)，典型的充電周期開(kāi)始是用恒流充電方式。當電池電壓上升到指定限度時(shí)，充電器轉為恒壓充電，該方式一直持續到充電電流減小為零，這時(shí)電池充電完畢。在恒壓充電階段，電流按指數規律下降，該指數與電池電阻以及和該電池相串連的所有電阻有關(guān)（和通過(guò)一電阻對電容充電的過(guò)程很類(lèi)似）。由于充電電流按指數規律下降，所以完成充電需要相當長(cháng)的時(shí)間。
對充電電流的限制不必象對充電電壓那樣準確。對電壓的限制非常關(guān)鍵：電池的電壓越高，所儲存的能量就越多。但是，過(guò)高的電壓會(huì )損壞電池。因此，加在普通鋰離子充電器上的電壓，上下浮動(dòng)最好不要超過(guò)1%。
即使當以很大的恒流充電（超過(guò)1C，其中C是用Ahrs衡量的電池容量），由于恒流充電的時(shí)間與整個(gè)充電過(guò)程相比是很短的，因此，增加充電電流對整體充電時(shí)間幾乎沒(méi)有影響。而主要由電池的物理特性決定的恒壓充電方式，則占用了大部分的充電時(shí)間。
鋰離子電池的一種充電方式就是利用線(xiàn)性充電器(如圖1所示)，一般情況下，該充電器的充電電壓或電流來(lái)自于交流適配器的直流輸出?？刂破?/font>(IC1)驅動(dòng)外部PNP型晶體管以產(chǎn)生充電電壓和充電電流。在該電路中，PIC控制器(IC2)通過(guò)其PWM輸出來(lái)控制充電電流和充電電壓。改變充電電流和電壓，該控制器可以適用于不同類(lèi)型的電池和化學(xué)物質(zhì)。在很多系統中，控制器上的PWM其它輸出可用來(lái)調節充電器。如果充電器僅設為適合于某一種電池類(lèi)型，通過(guò)外部電阻調節充電電壓和充電電流這一方式，可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化電池的設計。
線(xiàn)性充電器相對較小并且簡(jiǎn)單，但卻具有較高功耗的缺點(diǎn)。如果一個(gè)典型的鋰離子電池的電壓范圍為2.7～4.2V，為確保充足的輸入電壓，使蓄電池的電壓達到4.2V，則源電壓必須超過(guò)4.5V。因此，一個(gè)典型廉價(jià)的、輸出電壓波動(dòng)為10%的交流適配器，其輸出電壓的范圍必須為4.5～5.5V。在輸入電壓最大和電池電壓最小的時(shí)候，PNP型導通晶體管所產(chǎn)生的損耗最大。對于一個(gè)典型的波動(dòng)為10%的1A充電電流，充電器的功耗可能超過(guò)3W。
如果這3W功率耗散在一個(gè)小型、便攜式設備內，如手機、個(gè)人數字助理(PDA)等，則能造成相當大的溫度上升。這可能會(huì )給電子設備、終端用戶(hù)帶來(lái)不利的影響?？梢圆捎猛獠砍潆娖骰蛑Ъ軄?lái)減少功耗，但是這些措施也許不切實(shí)際。在這種情況下，開(kāi)關(guān)模式的充電器提供了有效的解決方法(參見(jiàn)圖2)。
圖2 中的IC采用兩個(gè)外置的N溝道MOSFET場(chǎng)效應管對源電壓進(jìn)行斬波，然后將斬波后的電壓進(jìn)行濾波，產(chǎn)生所需要的充電電流或電壓。這些MOSFET場(chǎng)效應管的調整元件相當于開(kāi)關(guān)。當該元件處于“開(kāi)”狀態(tài)，電流通過(guò)時(shí)有很小的壓降；當處于“關(guān)”狀態(tài)時(shí)，沒(méi)有電流通過(guò)。這一作用大大減小了傳輸晶體管的功耗（與線(xiàn)性充電器的功耗相比）；并且當源電壓、電池電壓和充電電流發(fā)生變化時(shí)，功耗幾乎沒(méi)有變化。
該電路具備較高的效能（在大部分的工作范圍內高達90%以上），在很大的源電壓、電池電壓和充電電流范圍內產(chǎn)生較少的功耗。開(kāi)關(guān)模式充電器的功耗降低是以增加尺寸和復雜程度為代價(jià)換取的。
恒流脈沖充電是鋰離子電池一種全新的充電方式，具有線(xiàn)性充電器和開(kāi)關(guān)模式充電器兩者的優(yōu)點(diǎn)。該方式采用限流交流適配器，限制充電電流的大小。當電池電壓達到規定的電壓限額時(shí)，電流源在“開(kāi)”、“關(guān)”兩狀態(tài)間切換，從而給蓄電池提供所需的平均電流，而不會(huì )超過(guò)電壓值。這種狀態(tài)間切換，如同開(kāi)關(guān)模式充電器，所以功耗很小。而且，由于不需要輸出濾波器，所以該電路和線(xiàn)性充電器一樣簡(jiǎn)單。在限流模式下(取決于所使用的交流適配器），功耗可能會(huì )增加；但是如果溫度不超過(guò)最大安全值，就不會(huì )對電池和負載造成不良影響。
采用限流適配器的充電器其電路中P溝道MOS場(chǎng)效應管(參見(jiàn)圖3)將適配器電流接入電池。由于IC在1mMax封裝內，并且外置MOSFET封裝能夠做到和SOT-23一樣小，所以該電路與開(kāi)關(guān)模式充電器相比簡(jiǎn)單得多。用兩個(gè)電容、一個(gè)電阻、MAX1679和一個(gè)外置的MOSFET就可以制作一個(gè)完整的充電器(其中RADJ、LED發(fā)光二極管、肖特基和熱敏電阻都是可選器件）。
該器件的其它特性避免了可能減少蓄電池使用壽命的因素。當電池過(guò)度放電(<2.5V/cell)后，快速充電就會(huì )減小其使用壽命。在充電以前，MAX1670將監測電池電壓。必要的情況下，先用內部5mA的電流源將電池充電至2.5V以上，然后再進(jìn)行恒流充電。另一個(gè)輸入端子與熱敏電阻相連，用來(lái)檢測電池的溫度。如果鋰離子電池在可接受的溫度范圍(通常在0～50℃)以外充電，則電池的使用壽命就會(huì )變短。當檢測到不可接受的溫度時(shí)，停止充電，直到溫度恢復到可接受的水平為止。MAX1679還含有電流監視輸出端，直接驅動(dòng)發(fā)光二極管，用來(lái)顯示充電進(jìn)程。
由于便攜式儀器變得更小、更復雜,為了更為有效地使用電池，充電器極為關(guān)鍵。將功耗耗散在儀器和電池之外，將有助于改善器件并使電池更好地工作。盡管傳統的線(xiàn)性和開(kāi)關(guān)模式充電器還有其用武之地，但是限流脈沖充電器優(yōu)化了充電器的尺寸，改善了便攜式設備的性能?！觯ㄍ趸ⅲ?/font>
評論