適用于全球交流電源鋰離子電池充電器設計

一次性電池不能夠充電,完全放電后的電池即為報廢電池。二次電池可以多次充電,但不同的化學特性對充電的要求也不同,特別是“快充”控制。目前,最常用的可充電電池是Li+、鎳氫(NiMH)、鎳鎘(Nicd)和鉛酸電池,其它類型的電池還很多,但沒有大規(guī)模投入使用。因為本文僅討論利用交流適配器供電的充電器設計,沒有考慮汽車電源供電的SLI鉛酸電池或更大容量電池的充電器。

不同化學類型的電池對充電器的要求

通常快速充電比涓流充電更受歡迎,但快速充電對電路的要求也復雜,鎳氫或鎳鎘電池的快速充電技術與其它電池也是不同的。鎳鎘和鎳氫電池通常在恒流狀態(tài)下快充,而不是恒壓狀態(tài)下?？斐浣K止檢測基于電壓和溫度的變化率,充電器還應具備過壓保護和過熱保護功能。Li+和鉛酸電池充電器必須保證作用到電池上的電壓和電流最大值在規(guī)定的范圍內,當電池電壓維持在最大單節(jié)電池電壓,充電電流下降到一個較低值時,充電器終止充電。Li+和鉛酸電池充電器的區(qū)別在于所允許的充電電流、最大電池電壓,另外鉛酸電池充電器一般具有浮充能力(浮充是為了補充鉛酸電池的自放電,而對一個已經完全充滿的電池繼續(xù)輸入充電電流的技術),Li+電池的自放電非常低,所以不需要浮充。

Li+電池

為便攜式產品選擇電池時,最重要的是高能量密度、尺寸、重量和價格。迄今為止,Li+電池在最為流行的電池中能夠提供最高的體積和能量密度,但其每瓦時的成本也較高。鉛酸電池的每瓦時成本最低,但比較笨重。本文以Li+電池為例討論充電器的設計,它在便攜式產品中已經被普遍使用。我們選擇780mA的充電電流和4.2V的終止電壓。

圖1：通用輸入交流電壓的離線式Li+電池充電器。

圖1所示充電器無需微處理器干預,輸入電源可以采用全球范圍的任何交流電源,省去了大體積60Hz變壓器,而且可提供單節(jié)Li+電池所要求的精確的充電電壓和電流。充電器IC(U4)集成了全面的保護功能(電壓、電流和自保護),確保Li+電池的安全充電。

假設Li+電池帶有過流、過壓和過熱保護,這些保護特性在電池包里是必需的,因為充電期間一旦電路出現故障,Li+電池將存在很大的危險性,過流、過壓或溫度過高都有可能造成Li+電池爆炸。

電路描述

圖1包括兩顆主器件(U1和U4)、精密基準(U3)和光耦(U2)。U1是離線式開關控制器,配合隔離變壓器、光耦和基準產生隔離的穩(wěn)壓直流輸出。直流電壓供給電池充電器(U4),U4提供電流限制、電壓調節(jié)、電池充電和充電指示等功能。本方案中,U4是一款簡單的線性充電器,內置調整管,結合其熱控制環(huán)路提供快速充電。

MAX5022的特性

U1(MAX5022)在寬輸入范圍的應用中很容易設計,本文所提供的方案要求能夠滿足全球各地的交流電源規(guī)格,這里假設通用的輸入電源電壓范圍為85VAC至265VAC。MAX5022的輸入范圍指標以及評估板電路的輸入范圍恰好滿足這一需求。對于圖1所示充電器的電源端MAX5022評估板不需要作任何修改,隔離端只需對評估板的電阻值稍作修改。

對于更大功率的應用,只需選取功率較大的開關管和能夠處理更大功率的變壓器即可。圖1所示電路要求充電電流為780mA,最大電池電壓為4.2V。對充電電源的要求與MAX5022評估板所提供的輸出相吻合：5V@1A,因此,不需要更換評估板的晶體管和變壓器。U4采用SOT23封裝,所以,充電器的尺寸在很大程度上取決于應用對充電電源的需求。變壓器是電路中尺寸最大的元件,由于開關控制器的工作頻率大于250kHz,允許系統(tǒng)選用小尺寸的變壓器。

上電時,在開關控制器工作之前,U1調節(jié)器直接通過泄漏電阻R1、R2從整流通路吸取少量的電流,兩個電阻阻值保證每個電阻上的壓降不會超出每個電阻的容限,Vin引腳電壓不會超出其28V額定值(30V為絕對最大值),U1在輸入電壓達到24V時開始開關操作,并吸取更大的電流(高于R1、R2所能提供的電流),在變壓器副邊線圈能夠提供足夠的能量之前,額外的電流由Vin引腳的旁路電容供給。這種處理方式能夠適合較寬的輸入電壓范圍,對效率的影響也很小,這是因為在啟動過程中只需極小的供電電流(典型值為50uA)。

為了防止U1的Vin引腳出現過壓,可以在Vin與地之間接一個26V至30V的齊納管,電壓值需要高于欠壓鎖存電壓的最大值,低于該引腳所允許的最大絕對電壓。如果器件沒有啟動正常的開關操作,則可認為電路發(fā)生了某些問題,所以,這一保護措施對于U1來說并不是必需的。

U1是一款電流模式PWM控制器,具有逐周期限流電路,必要時其占空比可以提高到75%,非常適合圖1所示的反激拓撲。原邊開關電流檢測采用尺寸為1206的1.78Ω電阻(R7),該電阻限制了變壓器原邊的最大電流。固定開關頻率和最大占空比限制使得最大限流具有輸出短路保護功能。

一旦短路輸出造成電路達到了上述限制條件,第三組線圈將無法提供10V以上的電壓(UVLO的低電壓門限),U1將再次進入啟動狀態(tài),停止開關操作。短路故障解除后系統(tǒng)會自動恢復正常的工作狀態(tài)。