為電池充電器開發經濟的混合信號充電系統

引言

隨著電池供電的電子設備越來越流行并且功能越來越強大，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具有靈活性和質優價廉兩方面的優點。混合信號設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的化學電池：鋰離子電池和鎳氫電池。通過本文的討論，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于變化較大的交流輸入電壓以及適配器負載電流。

通過汽車適配器充電也面臨同樣的問題。汽車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重要。輸出電壓精度的微小降低都會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

無論是鋰離子電池還是鎳氫電池，過充都是致命的弱點。對于安全可靠的充電系統來說，精確的充電結束方法是非常關鍵的。

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，對電池進行充電會導致電池過熱。在充電過程中，電池內部的壓力升高，因此，電池會膨脹，電池內部的高溫和高壓會導致電池機械開裂甚至爆炸，或者出現泄露。在0°C~45°C溫度范圍之外對電池進行充電會損害電池性能，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，充電系統仍然與電池相連，因此，充電系統必須保證此時電池的漏電流盡可能小。允許的最大漏電流應當小于幾個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系

電池充電器設計

考慮到前面的系統因素，可以開發出合適的充電管理系統。

線性解決方案

當輸入源穩壓良好時，可以采用線性充電解決方案。Microchip的MCP738xx 線性電池充電器系列就是一個線性充電解決方案的例子。在這些應用中，線性解決方案提供了諸多優點，如易于使用、尺寸小以及低成本。

開關式充電解決方案

對于輸入電壓范圍較寬的情況，如無穩壓的AC-DC墻式適配器或汽車DC輸入，開關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

開關式穩壓器拓撲結構決定了穩壓器開關和無源濾波元件的構成。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點和缺點：
優點：
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：
１．降壓穩壓器MOSFET開關集成的二極管在沒有輸入電壓時會構成一個電池放電通路。因此需要一個額外的阻斷二極管，增加額外器件的同時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行充電的應用來說，這種情況很常見。

4. 發生降壓開關短路故障時，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，就會引發安全問題。

5. 降壓穩壓器需要高端驅動(對N通道MOSFET開關)，與低端拓撲結構相比，這會帶來更大的復雜性。

6. 脈寬調制(PWM)控制器應用中的外部開關電流檢測比較復雜。對于電池短路或負載短路等故障模式來說，限制開關電流非常重要，沒有高速開關電流限制能力，電池充電器在發生短路時會被損壞。

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點，當然也有一些缺點。
優點：
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，因此在開關短路時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開關是低端驅動結構，簡化了柵極驅動以及開關中的電流檢測。

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電阻。
缺點：
1. 需要兩個電感或一個耦合電感。

2. 需要一個耦合電容，對于大功率(> 50W)，或高電壓(VIN > 100V)應用，成本較高。

開關式電池充電器設計

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

電池充電器技術參數

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(觸發充電周期結束的電流值)
特性：
過壓保護(電池移除)
過流保護(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(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

與所有開關式穩壓器設計一樣，輸出是通過改變占空比，或開關導通時間的比例(Q1，見圖2)來控制的。為穩定流入電池的電流，必須檢測充電電流。如圖2所示，電流檢測元件并沒有與電池串聯。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。
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