USB端口對(duì)NiMH電池智能充電的實(shí)現(xiàn)

開關(guān)與線性

　　USB 2.0規(guī)范允許低功率端口提供最大100mA電流，大功率端口提供最大500mA電流。如果采用線性調(diào)整器件來調(diào)節(jié)電池充電電流，這也就是最大可提供的充電電流。線性調(diào)整器件(圖4)的功耗為P = VQ x IBATT。這會(huì)造成調(diào)整管發(fā)熱，可能需要安裝散熱器，以防止過熱。


圖4. 功耗等于電池充電電流乘以調(diào)整管兩端的電壓。

對(duì)應(yīng)5V標(biāo)稱輸入電壓，調(diào)整器件消耗的功率與電池類型、數(shù)量和電池電壓有關(guān)。


圖5. 采用5.0V電壓的USB端口對(duì)NiMH電池充電時(shí)，線性調(diào)整器件的功耗。

　　標(biāo)稱輸入電壓為5.0V時(shí)，線性USB充電器對(duì)NiMH電池充電的功耗計(jì)算結(jié)果如圖5所 示。對(duì)單節(jié)電池充電時(shí)，線性充電器的效率僅為30%；對(duì)兩節(jié)電池充電時(shí)，效率為60%。用500mA電流對(duì)單節(jié)電池充電時(shí)，功耗會(huì)高達(dá)2W。這樣的功耗通 常需要加散熱器。功耗為2W時(shí)，熱阻為+20°C/W的散熱器在+25°C環(huán)境溫度下會(huì)被加熱至大約+65°C，要得到滿額性 能，還需要有流動(dòng)空氣來協(xié)助其散熱。處于空氣靜止的封閉空間內(nèi)，溫度會(huì)更高。

　　采用基于開關(guān)調(diào)節(jié)器的充電器可解決多個(gè)問題。首先，與線性充電器相比，能夠以更快的速率、更大的電流對(duì)電池進(jìn)行充電(圖6)。由于功耗較低、發(fā)熱較少，熱管理方面的問題也減少了。同時(shí)，由于運(yùn)行溫度降低，充電器更加可靠。


圖6. 對(duì)單節(jié)NiMH電池充電時(shí)，線性充電器和開關(guān)充電器的充電時(shí)間不同。

　　圖6中的計(jì)算結(jié)果基于以下條件和假設(shè)得到：采用高功率USB口最大允許電流(500mA)的大約90%充電；開關(guān)調(diào)節(jié)器采用非同步整流的buck轉(zhuǎn)換器，具有77%效率。

電路實(shí)例

　　圖7所示電路是用于單節(jié)NiMH電池充電的開關(guān)模式降壓型調(diào)節(jié)器。它采用DS2712充電控制器調(diào)節(jié)充電電流和終止充電。充電控制器監(jiān)視溫度、電池電壓和電池電流。如果溫度超過+45°C或者低于0°C，控制器不會(huì)對(duì)電池充電。


圖7. USB端口對(duì)單節(jié)NiMH電池快速充電的原理圖。

　　如圖7所示，Q1是降壓型充電器的開關(guān)功率晶體管；L1是濾波電感；D1是續(xù)流或整流二極管。輸入電容C1為 10µF、超低ESR的陶瓷濾波電容。用鉭電容或者其它電解電容替代C1會(huì)使充電器的性能降低。R7是電流調(diào)節(jié)器檢測(cè)放大器的檢流電阻。 DS2712的基準(zhǔn)電壓為0.125V，并具有24mV滯回。通過CSOUT提供閉環(huán)、開關(guān)模式電流控制。充電控制引腳CC1將Q2的柵極拉低時(shí)，使能 Q1的柵極驅(qū)動(dòng)。Q1和Q2均為低Vt (柵-源門限電壓)的pMOSFET。CC1和CSOUT均為低電平時(shí)，Q2的漏-源電壓將稍大于Vt。該電壓以及CSOUT的正向壓降構(gòu)成了Q1的柵極 開關(guān)電壓。

　　CC1為低電平時(shí)，啟動(dòng)電流閉環(huán)控制。圖8所示為啟動(dòng)開關(guān)時(shí)的波形。上方波形是0.125ohm; (檢流電阻兩端的電壓，下方波形是Q1漏極至GND的電壓。開始時(shí)，當(dāng)Q1打開(CC1和CSOUT均為低電平)時(shí)，電感電流向上爬升。當(dāng)電流增大到使檢 流電阻兩端的電壓達(dá)到0.125V時(shí)，CSOUT變?yōu)楦唠娖剑_關(guān)關(guān)斷。此后，電感電流開始下降，直到檢流電阻兩端的電壓達(dá)到約0.1V，CSOUT又變 為低電平。只要CC1為低電平，該過程將一直持續(xù)。