估算DS2715 NiMH電池充電器的開關速度

摘要：DS2715電池充電器的開關速度因充電模式、電感選擇和電池電壓而有所不同。某些情況下，需要了解各種條件下的開關速度,以解決噪聲靈敏度、峰值充電電流和電感選擇限制等問題。本應用筆記提供了一個簡便易用的數據表來幫助評估不同元件、電池參數和充電模式下的電路開關速度。

引言

DS2715電池充電器設計工作在開關模式時，迅速確定電路的開關頻率范圍非常有用。了解并控制開關頻率可以幫助優(yōu)化電感選擇，為晶體管的選擇以及PCB布板提供指導。在利用DS2715進行NiMH電池充電的不同階段，對電源電流的不同需求以及不同的電池電壓都會使工作頻率在很大的范圍內發(fā)生變化。本應用筆記對DS2715開關模式下的充電電路進行了分析，同時提供一個簡便易用的數據表來幫助估算不同工作點的開關頻率。

電路原理

圖1所示電路為buck開關充電器的等效電路，電池和檢流電阻相當于負載。DS2715將RSENSE的電壓調節(jié)到預設數值。檢流電阻和預置的基準電壓控制ICHARGE。對于NiMH電池，通常有4個充電階段—其中3個階段(預充電、快速充電和浮充)由檢流電阻的電壓進行調節(jié)；第4個階段，即保持狀態(tài)，通過一條非穩(wěn)流環(huán)路提供連續(xù)的小電流充電，以補充電池的自放電。預充電和浮充狀態(tài)下的電流為快速充電狀態(tài)下平均充電電流的25%。DS2715通過調整VSENSE比較器的內部基準電壓來降低ICHARGE。

電池組的狀態(tài)決定進入哪個充電狀態(tài)。電池電壓低于1.0V時，采用預充模式緩慢地對電量將近耗盡的電池進行充電。當電池電壓高于1.0V、低于1.65V時采用快速充電模式，但也可能在達到其它條件時終止快速充電。快速充電持續(xù)預先設置的一段時間后進入浮充模式。RPARASITIC是一個可選參數項，用于表示電池、保險絲或其它非理想導體引線的寄生壓降。


圖1. DS2715開關模式參考電路

用于調節(jié)檢流電阻電壓的控制電路包括一個帶有基準的滯回比較器，比較器輸出驅動一個開漏輸出引腳。預充和浮充模式下的滯回電壓約為快充模式下的25%，因為這些模式下使用的基準電壓較低。開關速度取決于ICHARGE從一個峰值到達另一個峰值然后返回需要的時間，包括反饋電路及開關切換QSW和DCATCH的所有延時。這些延時會使ICHARGE超過比較器的一個或兩個門限，從而導致高于標稱值的峰值變化。圖2給出了一個理想的開關控制波形，圖3則為QSW出現過長關閉延時的波形。


圖2. 理想的充電電流控制波形(沒有按比例繪制)


圖3. QSW斷開緩慢的充電電流控制波形(沒有按比例繪制)

計算方法

ICHARGE的變化率由電感L的電壓和電流間的關系式決定：

V = L × di/dt和dt = L × di/V

由此，QSW的開、關狀態(tài)持續(xù)時間會隨著每種狀態(tài)下L的電壓及ICHARGE從峰值到峰值的變化而不同。ICHARGE的峰峰值由充電模式的滯回電壓及導致比較器電平過沖的任何控制電路延時決定。有關檢流比較器的快速充電基準電壓(VFC)和滯回電壓(VHYS_FC)的定義請參考DS2715數據資料。

為了簡化開關速度的近似計算，假設每個QSW狀態(tài)下電感電壓保持穩(wěn)定不變。此外，我們還假設VSENSE從峰值到峰值的中點[VFC + (0.5 × VHYS_FC)]保持合理的穩(wěn)態(tài)條件，以便計算每種狀態(tài)下的電感電壓。經過上述簡化，可以計算出QSW_ON和QSW_OFF狀態(tài)下圖1所示參考電路的環(huán)路電壓，按照下式可以得到給定電池電壓下的電感電壓：

VL(QSW_ON) = VIN - VDIODE - VQSW - VPAR - VBATT - VSENSE(公式1)

VL(QSW_OFF) = VPAR + VBATT + VSENSE + VDCATCH(公式2)

由于電池電壓在快速充電模式下的電壓范圍為1.0V到1.65V，可以首先計算電感電壓，然后計算幾個工作點的開關速度。我們提供了一個數據表供用戶下載。該數據表可以幫助計算本應用筆記介紹的快速充電模式下的3個不同的電池電壓以及預充、浮充模式下的電池組電壓。

計算出每種狀態(tài)、每個工作點的電感電壓后，將控制電路的延時合并到QSW的開、關時間內。根據我們的近似條件，首先使用以下公式計算由于QSW的開、關延時導致的額外ICHARGE變化：

di(on delay) = dt × V(on)/L, 其中dt = tPDLY + tSW_OFF(公式3)

di(off delay) = dt × V(off)/L, 其中dt = tPDLY + tSW_ON(公式4)

電流的這一額外變化可以看作是ICHARGE由于控制信號或晶體管開關延時而超出比較器門限。為簡便起見，我們假設電感電壓在每種狀態(tài)下保持不變。由于延時導致的額外變化被計入滯回引起的電流變化中，可以進行如下計算：

di(Qsw_ON) = VHYS_FC/RSENSE + di(on delay)(公式5)

di(Qsw_OFF) = VHYS_FC/RSENSE + di(off delay)(公式6)

經過調整的ICHARGE變化量代入理想的電感電壓等式，結合前面的電感電壓計算公式，確定QSW的總體開、關時間。通常，雙極型晶體管有可能造成過長的開關延時,需要在計算時加以特別考慮，但用戶也可以對MOSFET進行建模計算。

本應用筆記介紹的公式已制作成一份數據表，有助于簡便估算DS2715開關模式充電器的開關速度。該數據表說明了用戶必須輸入的每個參數或用戶可能選擇修改的參數(圖4)。


放大圖形(PDF，132kB)
圖4. 開關速度計算表

第一組參數與參考電路的元件有關，第2部分包含計算過程中使用的電池組的工作點；第3部分描述了電流檢測比較器的內部設置點。應該將這一部分的默認值與DS2715數據資料的數據進行核對。最后一部分參數是DS2715的固有延時和需要考慮的由開關電路引起的任何額外延時。

計算結果

在數據表的第1個表格中輸入應用電路的參數后，可從第2個表格查看開關頻率計算結果(圖5)。該表格顯示了每種模式和電池工作條件下的結果，以及得到最終開關速度結果的部分中間結果。這些計算結果包括每種狀態(tài)下的電感電壓、由于延時導致的ICHARGE變化以及開、關時間。


放大圖形(PDF，123kB)
圖5. 開關速度計算結果

結論

通過估算與參考電路相關的開關速度，還可以獲得更多信息?？梢钥闯?，影響DS2715開關模式NiMH充電器的開關速度的主要因素有電感值、ICHARGE、高于電池組電壓的VIN余量，有些情況下還可能需要考慮QSW的開關延時。本文介紹的分析方法可用于估算這些電路的開關速度，以便在必要時有效地調整開關速度。