優(yōu)化DS2715電池充電器的負(fù)載切換功能

　　引言

　　DS2715相比其他充電IC獨(dú)特之處在于，它通過(guò)單個(gè)晶體管為電池包提供了充電和放電路徑。該功能結(jié)合可為10節(jié)電池進(jìn)行充電的特性，使它成為非常適合用于各種電池供電設(shè)備的充電解決方案中。本應(yīng)用指南闡述了DS2715如何控制調(diào)節(jié)晶體管，同時(shí)描述了優(yōu)化DS2715應(yīng)用電路時(shí)設(shè)計(jì)人員應(yīng)采取的調(diào)整措施。本文首先詳細(xì)討論了一個(gè)3節(jié)電池組的典型應(yīng)用電路。隨后，還介紹了兩個(gè)替代電路：一個(gè)是將DS2715連接到不連續(xù)負(fù)載的改進(jìn)電路，另一個(gè)是直接由電池為負(fù)載供電的電路。

　　典型應(yīng)用電路

　　圖1為3節(jié)電池組的典型開(kāi)關(guān)模式應(yīng)用電路(本應(yīng)用筆記中描述的所有例子也適用于線性模式電路)。當(dāng)連接充電電源時(shí)，它通過(guò)D1直接為負(fù)載和DS2715供電。然后DS2715照常執(zhí)行充電功能。當(dāng)充電電源斷開(kāi)時(shí)，充電電流停止，電池通過(guò)寄生二極管Q1為DS2715供電。同時(shí)也經(jīng)由這條通路提供負(fù)載電流。如果負(fù)載電流導(dǎo)致檢測(cè)電阻兩端電壓超過(guò)10mV (典型值，在SNS+和SNS-端之間測(cè)得)，并且VDD大到足以維持正常工作，DS2715進(jìn)入放電模式。

　　圖1. 典型開(kāi)關(guān)模式應(yīng)用電路

　　在放電模式下，VCH拉低且Q1完全導(dǎo)通。此時(shí)，負(fù)載電流從寄生二極管Q1切換到漏-源通路。當(dāng)VDD不足，從而導(dǎo)致DS2715進(jìn)入上電復(fù)位狀態(tài)時(shí)，Q1不導(dǎo)通且其寄生二極管為負(fù)載提供了唯一的放電通路。應(yīng)該指出的是，對(duì)于采用3節(jié)電池為負(fù)載供電的配置，DS2715在電池的大多數(shù)有效放電周期內(nèi)都處于不工作的復(fù)位狀態(tài)。這是因?yàn)閁VLO (欠壓鎖定)電壓是3.9V，而電池的額定電壓是3.6V。因此，放電模式應(yīng)至少采用四節(jié)電池串聯(lián)。一旦成功進(jìn)入放電模式，還應(yīng)該考慮負(fù)載斷開(kāi)或再次連接充電電源時(shí)會(huì)出現(xiàn)什么情況。

　　如果DS2715處于放電模式時(shí)再次連接充電電源，充電電源將為負(fù)載供電且DS2715重新開(kāi)始充電。如果放電模式下負(fù)載斷開(kāi)，基本上沒(méi)有電流從電池流出。剩下的電流就包括DS2715電源電流(小于200?A)以及VCH吸收的電流。該電流主要隨電池電壓和Q1偏置電路變化，通常為5mA至10mA。參考DS2715的放電鎖存置位和復(fù)位門(mén)限，可以明顯看出置位參數(shù)和復(fù)位參數(shù)之間存在滯回。因此，5mA至10mA的電流不足以退出放電模式。除非充電電流導(dǎo)致SNS+和SNS-之間有-10mV的壓降，否則DS2715將一直處于放電模式。放電模式不受VBATT影響，將一直保持，直到VDD低于UVLO加滯回門(mén)限。

　　典型應(yīng)用電路的瞬態(tài)性能

　　當(dāng)充電電源移除時(shí)，電池應(yīng)開(kāi)始為負(fù)載供電從而使電壓不至于過(guò)多地下降。剛開(kāi)始，如果負(fù)載連接時(shí)，寄生二極管Q1和二極管D4提供電池與負(fù)載之間的電流通路。如果電流足以置位放電閉鎖，則VCH拉低，并且在Q1內(nèi)部電容充完電后完全導(dǎo)通。VCH的狀態(tài)變化發(fā)生時(shí)間為1?s。當(dāng)去耦電容C1和C2放電時(shí)，負(fù)載連接點(diǎn)從充電電源電壓變化電池電壓。圖2為充電電源移除時(shí)負(fù)載點(diǎn)的變化狀態(tài)。為了使DS2715維持足夠的VDD，采用四節(jié)電池并使用470?F電容代替C1，以去耦500mA負(fù)載電流。

　　圖2. C1 = 470?F，充電電源移開(kāi)時(shí)，4節(jié)電池開(kāi)關(guān)模式電路的瞬態(tài)特性

　　基本應(yīng)用電路適合無(wú)需放電模式的3節(jié)電池或少于3節(jié)電池的應(yīng)用場(chǎng)合，也適合4節(jié)電池應(yīng)用。然而，4節(jié)電池電路也有一個(gè)缺點(diǎn)，電池將很少充電，并且電路將在一段時(shí)間內(nèi)長(zhǎng)期處于放電模式。在這種情況下，維持Q1于放電模式所消耗的靜態(tài)電流將消耗更多的電池能量。在4節(jié)電池應(yīng)用中，如果負(fù)載在相當(dāng)大一部分時(shí)間內(nèi)是不使用的，且希望電池持續(xù)工作很多天或更長(zhǎng)時(shí)間，則需要對(duì)基本電路進(jìn)行些許改動(dòng)即可提高性能。這些修改相當(dāng)于為2節(jié)和3節(jié)電池應(yīng)用增加了放電模式的功能。

　　應(yīng)用電路的改進(jìn)

　　當(dāng)電池?zé)o需長(zhǎng)時(shí)間且頻繁為負(fù)載供電時(shí)，在待機(jī)時(shí)應(yīng)盡量減少電池的損耗，以延長(zhǎng)電池壽命。DS2715的典型應(yīng)用電路可以加以修改，僅需增加一個(gè)晶體管和幾個(gè)無(wú)源器件，就可顯著改善其性能，從而更加適合連接到不連續(xù)工作負(fù)載的應(yīng)用。圖3為改進(jìn)后的電路。

　　圖3. 改進(jìn)后的開(kāi)關(guān)模式應(yīng)用電路，適用于DS2715連接非連續(xù)負(fù)載的應(yīng)用

　　第一個(gè)重要的修改是增加了Q5。Q5應(yīng)采用RDS(ON)非常低的pFET，以最大程度提高效率。其VGS應(yīng)根據(jù)電路和負(fù)載要求進(jìn)行選擇。理想情況是，選擇Q5時(shí)應(yīng)注意使其VGS在最低有效電池電壓時(shí)保持Q5處于導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)電池電壓下降到低于有效的限制時(shí)，VGS額定值將關(guān)閉Q5，有助于限制電池的過(guò)充電。此特性對(duì)于大多數(shù)電路并非必須，這是由于發(fā)生過(guò)充之前負(fù)載往往早已掉電，鎳氫電池具有一定的耐過(guò)充性能。Q5應(yīng)滿(mǎn)足所可能遇到的最高電壓，同時(shí)也應(yīng)該能夠處理最大負(fù)載電流以及相應(yīng)的功耗。電路中的R8用于確保充電電源移除時(shí)Q5處于導(dǎo)通狀態(tài)。R11是Q5切換瞬態(tài)時(shí)擺率控制電路的一部分，或使用其他器件代替以提供FET必需的ESD (靜電放電)保護(hù)。

　　另一處必要的修改是將R1與D1的陽(yáng)極斷開(kāi)，連接至陰極，直接由充電電源為DS2715供電。這樣，當(dāng)電池為負(fù)載供電時(shí)，DS2715將掉電，Q5將作為負(fù)載開(kāi)關(guān)。當(dāng)DS2715掉電且負(fù)載斷開(kāi)時(shí)，只有小的漏電流和電池本身的自放電會(huì)導(dǎo)致電池容量的減少。DS2715掉電時(shí)，同時(shí)也復(fù)位內(nèi)部狀態(tài)機(jī)，重新啟動(dòng)充電周期，而這一過(guò)程在典型應(yīng)用電路(圖1)中由Q2完成。電路經(jīng)改進(jìn)后，即使少于4節(jié)電池，電池也可正常放電，否則在放電狀態(tài)沒(méi)有足夠的電能為DS2715供電。

　　該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的另一個(gè)好處是可以選擇獨(dú)立的充電和放電晶體管，以?xún)?yōu)化那些對(duì)于不同功能最為重要的特性。之前已經(jīng)提到過(guò)負(fù)載連接晶體管的重要特點(diǎn)。對(duì)于開(kāi)關(guān)模式應(yīng)用中的Q1，要求采用低VGS的晶體管，以?xún)?yōu)化包括Q3在內(nèi)的簡(jiǎn)單自舉關(guān)斷輔助電路。此外，在低RDS(ON)和低柵極電荷之間進(jìn)行合理的妥協(xié)將實(shí)現(xiàn)總功耗足夠低的電路。對(duì)于線性模式調(diào)節(jié)晶體管，功耗通常是最重要的因素。

　　由于電路中電池直接連接負(fù)載，因此建議電源電壓過(guò)低時(shí)負(fù)載自行關(guān)閉。如果連接一個(gè)電阻負(fù)載，負(fù)載將會(huì)引起電池的過(guò)放電。

　　改進(jìn)后應(yīng)用電路的性能

　　下圖為充電電源移除后改進(jìn)應(yīng)用電路的瞬態(tài)響應(yīng)。圖4為C1處安裝22μF鋁電解電容時(shí)的曲線。圖5為該電容值變?yōu)?70?F時(shí)的曲線。負(fù)載FET開(kāi)啟時(shí)，負(fù)載電壓從充電電源電壓切換到電池電壓。此時(shí)，負(fù)載電流是500mA的吸入電流。充電電源移除之前電壓為9V，為負(fù)載和充電器供電。在這兩個(gè)圖中，上部曲線對(duì)應(yīng)負(fù)載節(jié)點(diǎn)電壓，下部曲線對(duì)應(yīng)Q5柵極的電壓。這兩個(gè)電壓是以地為參照的。

　　圖4. C1 = 22μF時(shí)，改進(jìn)后的應(yīng)用電路在移除充電電源后的瞬態(tài)波形

　　圖5. C1 = 470μF時(shí)，改進(jìn)后的應(yīng)用電路在移除充電電源后的瞬態(tài)波形

　　C1為22μF時(shí)，出現(xiàn)略低于電池電壓的下沖。去耦電容容值增加至470μF可消除電池、負(fù)載和電路采用這一特殊配置時(shí)的下沖。

　　直接用電池為負(fù)載供電

　　在某些情況下，未必可以采用充電電源電壓和電池組電壓同時(shí)位負(fù)載供電未必嫩夠滿(mǎn)足要求。負(fù)載可直接由電池供電，但必須考慮幾個(gè)因素。圖6為直接用電池為負(fù)載供電的電路。

　　圖6. 應(yīng)用電路原理圖，帶有可選負(fù)載連接

　　負(fù)載必須按圖所示方法接地，以保證在電池充電期間得到預(yù)期的充電電流(負(fù)載電流不會(huì)流經(jīng)R7檢流電阻)。同時(shí)，由于負(fù)載直接連接到電池，因此沒(méi)有必要使用DS2715的放電模式或省去了開(kāi)通Q1的偏置電路所消耗的其他電流。因此，移除R1/C3濾波器連接，將DS2715的VDD直接與充電電源連接， 因此當(dāng)充電電源移除時(shí)，DS2715將復(fù)位。在這一電路中，一旦充電完成，所有負(fù)載電流，除了通過(guò)D2/R2的電流，必須由電池提供，無(wú)論充電電源是否連接。在準(zhǔn)備好進(jìn)行新的充電周期之前，應(yīng)用電路應(yīng)完全由電池供電。

　　在這一電路中，充電電路除檢測(cè)電阻外還作為負(fù)載電流的流經(jīng)通路，因此，所有元件必須嫩購(gòu)應(yīng)對(duì)最壞情況下的充電電流和負(fù)載電流。開(kāi)關(guān)模式下，有必要根據(jù)額外負(fù)載電流及其對(duì)開(kāi)關(guān)性能影響來(lái)重新調(diào)節(jié)關(guān)閉Q1的自舉電路。如果充電期間有可能移開(kāi)電池，即使存在箝位元件，也應(yīng)采取預(yù)防措施確保負(fù)載能夠承受開(kāi)關(guān)模式下的感性尖峰。