一種混合信號通用電池充電器設計

　　本文主要討論兩種最常見的化學電池：鋰離子電池和鎳氫電池。通過本文的討論，能夠設計出一種混合信號通用電池充電器，這種充電器可對這兩種電池進行充電。

　　電池充電的系統(tǒng)考慮

　　要快速可靠地完成電池充電，需要高性能的充電系統(tǒng)。以下系統(tǒng)參數(shù)是設計經(jīng)濟可靠的解決方案所必須考慮的。

　　輸入源

　　許多應用都采用廉價的墻式適配器作為輸入電源，這種適配器的輸出電壓高度依賴于變化較大的交流輸入電壓以及適配器負載電流。通過汽車適配器充電也面臨同樣的問題。汽車適配器的輸出電壓范圍通常為9V"18V。

　　輸出電壓穩(wěn)壓精度

　　對于鋰離子電池，為使電池容量的利用率達到最大，輸出電壓穩(wěn)壓精度至關(guān)重要。輸出電壓精度的微小降低都會導致電池容量大幅度減少。當然，出于安全以及可靠性方面的考慮，輸出電壓并不能無限度提高。圖1示意了輸出電壓穩(wěn)壓精度的重要性。

　　充電結(jié)束方法

　　無論是鋰離子電池還是鎳氫電池，過充都是致命的弱點。對于安全可靠的充電系統(tǒng)來說，精確的充電結(jié)束方法是非常關(guān)鍵的。

　　電池溫度監(jiān)控

　　可充電電池的充電溫度范圍通常在0°C"45°C之間，溫度超出此范圍時，對電池進行充電會導致電池過熱。在充電過程中，電池內(nèi)部的壓力升高，因此，電池會膨脹，電池內(nèi)部的高溫和高壓會導致電池機械開裂甚至爆炸，或者出現(xiàn)泄露。在0°C"45°C溫度范圍之外對電池進行充電會損害電池性能，或者縮短其預期壽命。

　　電池放電電流或反向漏電流

　　在許多應用中，即使輸入電源斷開，充電系統(tǒng)仍然與電池相連，因此，充電系統(tǒng)必須保證此時電池的漏電流盡可能小。允許的最大漏電流應當小于幾個mA，比較理想的情況是低于1mA。

　　圖1 電池容量損失與充電電壓不足的關(guān)系

　　電池充電器設計

　　考慮到前面的系統(tǒng)因素，可以開發(fā)出合適的充電管理系統(tǒng)。

　　線性解決方案

　　當輸入源穩(wěn)壓良好時，可以采用線性充電解決方案。Microchip的MCP738xx 線性電池充電器系列就是一個線性充電解決方案的例子。在這些應用中，線性解決方案提供了諸多優(yōu)點，如易于使用、尺寸小以及低成本。

　　開關(guān)式充電解決方案

　　對于輸入電壓范圍較寬的情況，如無穩(wěn)壓的AC-DC墻式適配器或汽車DC輸入，開關(guān)式穩(wěn)壓器可以將電池充電器內(nèi)部的功率損耗降到合理的水平。

　　選擇拓撲結(jié)構(gòu)

　　開關(guān)式穩(wěn)壓器拓撲結(jié)構(gòu)決定了穩(wěn)壓器開關(guān)和無源濾波元件的構(gòu)成。這種構(gòu)成的差異隨拓撲結(jié)構(gòu)的選擇而變化，從而要在復雜性、效率、噪聲以及輸出電壓范圍之間權(quán)衡。電源轉(zhuǎn)換器的拓撲結(jié)構(gòu)很多，但只有幾種適用于5W"50W范圍的電池充電器。

　　降壓穩(wěn)壓器

　　降壓穩(wěn)壓器是電池充電應用的一種常用拓撲結(jié)構(gòu)。降壓穩(wěn)壓器具有以下優(yōu)點和缺點：

　　優(yōu)點：1. 復雜性低、單電感結(jié)構(gòu)。2. 對于同步應用，轉(zhuǎn)換效率可達90%。

　　缺點：1. 降壓穩(wěn)壓器MOSFET開關(guān)集成的二極管在沒有輸入電壓時會構(gòu)成一個電池放電通路。因此需要一個額外的阻斷二極管，增加額外器件的同時也導致系統(tǒng)中出現(xiàn)額外的壓降。2. 降壓穩(wěn)壓器的輸入電流是脈沖式或間歇的。這種拓撲結(jié)構(gòu)在電源的輸入端產(chǎn)生較高的電磁干擾(EMI)。大多數(shù)降壓穩(wěn)壓器都需要額外的輸入EMI濾波。3. 降壓穩(wěn)壓器只能對比輸入電壓低的輸出電壓進行穩(wěn)壓。有些應用的輸入電壓范圍寬，覆蓋到必需的輸出電壓范圍。對于對多節(jié)鋰離子電池單元組成的電池組進行充電的應用來說，這種情況很常見。4. 發(fā)生降壓開關(guān)短路故障時，輸入至電池之間短路。對于不具備電池內(nèi)部保護的鎳氫電池，就會引發(fā)安全問題。5. 降壓穩(wěn)壓器需要高端驅(qū)動(對N通道MOSFET開關(guān))，與低端拓撲結(jié)構(gòu)相比，這會帶來更大的復雜性。6. 脈寬調(diào)制(PWM)控制器應用中的外部開關(guān)電流檢測比較復雜。對于電池短路或負載短路等故障模式來說，限制開關(guān)電流非常重要，沒有高速開關(guān)電流限制能力，電池充電器在發(fā)生短路時會被損壞。