詳細了解系統(tǒng)負載后再連接充電器

引言

隨著電子技術的迅猛發(fā)展，電池充電器作為一項傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，正經(jīng)歷著前所未有的變革并滲透到生活的各個領域，為了適應市場及電子設備科技發(fā)展的需要，智能充電器檢測系統(tǒng)應運而生，并且研究已經(jīng)向高頻化、集成化、智能化和綠色化方向發(fā)展，智能充電器檢測系統(tǒng)也以其維護簡單、檢測效率高、擴展能力強和使用壽命長等特點，迅速成為各種電子充電設備檢測的首選。

系統(tǒng)在沒有電池的情況下依靠充電器工作正變得越來越普遍。這種情況可能會出現(xiàn)在正常應用或廠商的產(chǎn)品測試期間。圖 1 中，在任何瞬態(tài)或上電條件下都沒有電池電源為系統(tǒng)供電。如果設計不夠合理，則充電器就會在短路狀態(tài)下鎖閉。要想解決這些設計問題，我們必須充分理解充電器的輸出源規(guī)范和輸入系統(tǒng)負載要求。

圖 1 充電器電源和系統(tǒng)負載結構圖

無電池運行問題

人們通常認為鋰離子 (Li-Ion) 電池充電器是一種在穩(wěn)定電壓下可以被控制的電流源。一般而言，這種器件都配有電池組，其起到一個能量儲存器(大容量電容)的作用，以通過電源瞬態(tài)持續(xù)為系統(tǒng)供電。如果系統(tǒng)負載超出源電流片刻，電池便會補充額外的電流。在沒有電池的情況下，如果系統(tǒng)負載電流超過了充電器的源電流，則系統(tǒng)電壓就會迅速下降。麻煩的是，充電器為一個三級電流源，即短路、預充電和快速充電。超過有效電流會導致系統(tǒng)電壓下降，并且還可能會使充電器進入預充電，然后轉入電流更少的短路階段。相反，如果負載電流低于充電器電流，則系統(tǒng)電壓上升，直到達到 4.2V 穩(wěn)定電壓為止。最后，充電電流下降至與負載電流相等。

要想實現(xiàn)無電池工作，必須對充電器和系統(tǒng)進行設計，以使充電器能夠始終向系統(tǒng)提供要求的電流。要解決這個問題，充電器的 IV 特性必須要與系統(tǒng)負載 IV 特性相匹配。

充電器的輸出特性

充電器通常指的是一種將交流電轉換為低壓直流電的設備。充電器在各個領域用途廣泛，特別是在生活領域被廣泛用于手機、相機等等常見電器。充電器是采用電力電子半導體器件，將電壓和頻率固定不變的交流電變換為直流電的一種靜止變流裝置。在以蓄電池為工作電源或備用電源的用電場合，充電器具有廣泛的應用前景。充電器有很多，如鉛酸蓄電池充電器、閥控密封鉛酸蓄電池的測試與監(jiān)測、鎘鎳電池充電器、鎳氫電池充電器、鋰離子電池充電器、便攜式電子設備鋰離子電池充電器、鋰離子電池保護電路多功能充電器、電動車蓄電池充電器、車充等。

我們將討論一種鋰離子電池充電器，這是由于它具有幾個充電階段，而這些我們已經(jīng)討論過的概念可以被輕松地應用到其他充電器化學技術中去。圖 2 顯示的是其與充電器輸出電壓 VSYS 相關聯(lián)時充電器的電流情況。如果沒有電池并且充電器沒有通電，則初始電壓為 0V.當向充電器加電時，由于輸入與輸出之間存在內部上拉電阻(~500 Ohms)，充電器的輸出電壓開始上升。短路模式低于 1 伏，其設計目的是最小化 OUT 引腳短路期間的功耗。

一旦高于短路閾值 (0.8~1.4V)，充電器便會進入預充電模式。預充電對深度放電的電池進行恢復，或決定該電池組是否受到破壞以及是否需要終止充電。預充電電流約為快速充電電流的 1/10,但是某些充電器可以單獨編程控制這一水平。預充電模式在 ~3V 時轉為快速充電恒定電流，這時便獲得了編程控制快速充電恒定電流。充電器決不會提供比這種編程控制電流電平更多的電流。電壓在 4.2V 時達到恒定電壓模式后，輸出得到調節(jié)，并且能夠提供達到編程控制電流電平的電流。如果負載電流降至終止閾值，則充電終止，除非終止功能失效。

圖 2 鋰離子充電概述——充電電流和電壓輸出

表 1 列出了每一個階段的電流。

充電器模式 典型的電壓范圍 可用電流 等效功率

短路模式 0~1.0 V 500 ohms 或 ~8mA 8 mW

預充電模式 1~3 V 100 mA 100~300 mW

快速充電模式 3~4.2 V 1000 mA 3~4.2 W

既然我們知道有多少電流來自充電器，那么就需要一個系統(tǒng)負載分析來確認設計是否適合無電池運行。

系統(tǒng)負載特性

電阻性負載會吸收電流，該電流與施加的電壓成比例關系，并且可出現(xiàn)在上電階段。在無電池上電時，低于 125 Ohms (ISINK = 1V/125 Ohms = 8mA) 的電阻可以阻止充電器退出短路模式。

一般而言，一個 DC/DC 降壓轉換器在其輸入電壓接近其調節(jié)輸出電壓時才被啟用。由于轉換器的輸出電壓固定，因此其負載通常恒定不變，這樣其輸入電流便與其電壓成反比關系。圖 3 中的兩條曲線顯示了流入一個 1.8V 和 3.3V DC/DC 轉換器的輸入電流與輸入電壓之間的對比關系。您可以看到，電壓上升則電流下降，反之亦然。