估算DS2712 NiMH電池充電器的開關(guān)速度

　　引言

　　設(shè)計開關(guān)模式電池充電器DS2712時，迅速確定電路的開關(guān)頻率范圍非常有用。了解并控制開關(guān)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(dǎo)。對于DS2712，由于所有充電模式下的參考電壓是固定的，因此充電模式不會影響開關(guān)頻率(在DS2715中，充電模式則會影響開關(guān)頻率)。開關(guān)頻率的設(shè)置主要由電感完成，而電池電壓的變化則是引起開關(guān)頻率變化的主要因素。本應(yīng)用筆記對DS2712的充電電路進行了分析，同時提供一個簡便易用的數(shù)據(jù)表來幫助估算開關(guān)頻率。

　　電路原理

　　圖1所示電路為buck開關(guān)充電器的等效電路，電池和檢流電阻相當(dāng)于負載。DS2712在所有充電模式下將RSENSE的電壓調(diào)節(jié)到預(yù)設(shè)數(shù)值。檢流電阻和預(yù)置的基準(zhǔn)電壓控制ICHARGE。對于NiMH電池，通常有4個充電階段—這4個階段(預(yù)充電、快速充電、浮充和保持)均由DS2712檢流電阻的電壓進行調(diào)節(jié)。預(yù)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%，保持模式下的電流為快速充電狀態(tài)下電流的1/64。

　　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(yù)充電模式緩慢地對電量將近耗盡的電池進行充電。當(dāng)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?？焖俪潆姵掷m(xù)預(yù)先設(shè)置的一段時間后進入浮充模式。RPARASITIC是一個可選參數(shù)項，用于表示電池、保險絲或其它非理想導(dǎo)體引線的寄生壓降。

　　圖1. DS2712開關(guān)模式參考電路

　　用于調(diào)節(jié)檢流電阻電壓的控制電路包括一個帶有基準(zhǔn)的滯回比較器，比較器輸出驅(qū)動一個開漏輸出引腳。通過QCC以及CC輸出引腳(圖中沒有示出)來改變各開關(guān)模式下的占空比。QCC導(dǎo)通時的開關(guān)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(guān)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(dǎo)致高于標(biāo)稱值的峰值變化。圖2給出了一個理想的開關(guān)控制波形，圖3則為QSW出現(xiàn)過長關(guān)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(guān)系式?jīng)Q定：

　　V = L × di/dt和dt = L × di/V (公式1)

　　由此，QSW的開、關(guān)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(dǎo)致比較器電平過沖的任何控制電路延時決定。有關(guān)檢流比較器的基準(zhǔn)電壓(VIREF)和滯回電壓(VHYS_COMP)的定義請參考DS2712數(shù)據(jù)資料。

　　為了簡化開關(guān)速度的近似計算，假設(shè)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(shè)VSENSE從峰值到峰值的中點[VIREF - (0.5 × VHYS_COMP)]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(jīng)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 - VQCC - VPAR - VBATT - VSENSE (公式2)

　　VL(QSW_OFF) = VQCC + VPAR + VBATT + VSENSE + VDCATCH (公式3)

　　由于電池電壓在快速充電模式下的電壓范圍為1.0V至1.65V，可以首先計算電感電壓，然后計算幾個工作點的開關(guān)速度。我們提供了一個數(shù)據(jù)表供用戶下載。該數(shù)據(jù)表可以幫助計算本應(yīng)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(yù)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(guān)時間內(nèi)。根據(jù)我們的近似條件，首先使用以下公式計算由于QSW的開、關(guān)延時導(dǎo)致的額外ICHARGE變化：

　　di(on delay) = dt × V(on)/Lm，其中dt = tPDLY + tSW_OFF (公式4)

　　di(off delay) = dt × V(off)/L，其中dt = tPDLY + tSW_ON (公式5)

　　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(guān)延時而超出比較器門限。為簡便起見，我們假設(shè)電感電壓在每種狀態(tài)下保持不變。由于延時導(dǎo)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_COMP/RSENSE + di(on delay) (公式6)

　　di(QSW_OFF) = VHYS_COMP/RSENSE + di(off delay) (公式7)

　　經(jīng)過調(diào)整的ICHARGE變化量代入理想的電感電壓等式，結(jié)合前面的電感電壓計算公式，確定QSW的總體開、關(guān)時間。通常，雙極型晶體管有可能造成過長的開關(guān)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(yīng)用筆記介紹的公式已制作成一份數(shù)據(jù)表，有助于簡便估算DS2712開關(guān)模式充電器的開關(guān)速度。該數(shù)據(jù)表說明了用戶必須輸入的每個參數(shù)或用戶可能選擇修改的參數(shù)(圖4)。

　　圖4. 開關(guān)速度計算表

　　第一組參數(shù)與參考電路的元件有關(guān)；第二部分包含計算過程中使用的電池組的工作點；第三部分描述了電流檢測比較器的內(nèi)部設(shè)置點，應(yīng)該將這一部分的默認值與DS2712數(shù)據(jù)資料的數(shù)據(jù)進行核對；最后一部分參數(shù)是DS2712的固有延時和需要考慮的由開關(guān)電路引起的任何額外延時。

　　計算結(jié)果

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

　　圖5. 開關(guān)速度計算結(jié)果

　　結(jié)論

　　通過估算與參考電路相關(guān)的開關(guān)速度，還可以獲得更多信息?？梢钥闯?，影響DS2712開關(guān)模式NiMH充電器的開關(guān)速度的主要因素有電感值、ICHARGE、高于電池組電壓的VIN裕量，有些情況下還可能需要考慮QSW的開關(guān)延時。本文介紹的分析方法可用于估算這些電路的開關(guān)速度，以便在必要時有效地調(diào)整開關(guān)速度。