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混合信号电源系统发展概论
可供电池充电器应用

【作者: Terry Cleveland,Scott Dearborn】2007年02月08日 星期四

浏览人次:【4361】

当电池供电装置持续变得更通用与强大效力时,所以就需要使用容易适应的电池充电器,使用标准元件,电池充电器设计可在制作同时更为有弹性与更具成本效益。混合信号设计简化额外新式,获得功能到系统上,而且容许增加区别的特色。


电池化学性质

许多不同的电池化学性质是用来供可充电式可携式应用使用,包括了锂离子(Li-Ion)、镍氢(NiMH)、镍镉(NiCd)和酸性电池。本文将会专注在两种较受欢迎的化学物质,锂离子和NiMH,当然本文讨论题目也适用于其它化学物质。


锂离子电池具有所有电池型式中最高的能量密度,使它成为所有可充电式技术中最常用在可携式装置上。 NiMH电池也很受欢迎,因为很安全又具环保意识,所以可以设计出一种混合信号,通用电池充电器来对这两种化学物质充电。


电池充电术语

充电或放电率会因电池容量来表达,通常名为「C-Rate」,这个充电率等于充电或放电电流,而且定义为:


《公式一》
《公式一》

当电池在C-rate为时放电会传递出其1小时内容名义上的容量率。例如,若容量率是1000mhr,则1C的放电率相对于1000mA的放电电流。相同的,一个C/10的比率相对于100mA的放电电流。


较佳的充电资讯(Li-Ion和NiMH)

锂离子电池化学物质使用固定,或可控制电流和固定电压换算法,并可区分为四个阶段:


  • (1)缓慢充电;


  • (2)固定电池充电;


  • (3)固定电压充电;


  • (4)充电终止。



(图一)显示锂离子电池充电的四个阶段。 NiMH较佳的演算包括了下列阶段:


  • (1)缓慢充电;


  • (2)固定电池;


  • (3)充满充电;


  • (4)充电终止。



第一阶段:缓慢充电

缓慢充电会恢复电荷到较深的耗尽电池中。对锂离子电池而言,当电池电压低于大约3V时,电池充电会以最大0.1C的固定电流充电。对NiMH电池而言,缓慢充电状况会减弱电池,当电池电压大于0.9V的「快速」充电时,或是会开始固定电流充电。


第二阶段:固定电流充电

对锂离子和NiMH电池而言,在电池电压上升超过缓慢充电限制时,会增加充电电流以能够执行固定电流充电。固定电流充电应该在0.2C到1.0C范围内。


第三阶段:固定电压

只针对锂离子电池而言,固定电流充电结束而固定电压阶段开始,这时电池结束而固定电压阶段开始,这时电池电压会达到4.2V。为了扩大性能,电压调节容许度应比±1%还好。


第四阶段:充电终止

对锂离子电池而言,缓慢充电的继续并不建议。取而代之,充电中只是个好的选项。对NiMH电池而言,一段时间的缓慢充电可确保100%的电池容量使用,当一段时间的缓慢充电完成时,便需要充电终止。


《图一 锂离子充电图》
《图一 锂离子充电图》

对锂离子电池而言,两种方式之一:最小充电电流,或是一定时(或是这两种的结合),传统上会终止充电。最小充电电流方式会监控在固定电压阶段的充电电流,并当充电电流减少到0.02C到0.07C的范围时终止充电。定时方式决定当固定电压阶段开始,接着会继续充电两个小时,接着便是充电终止。


以这种方式充电可在大约2.5到3小时内可将内部深处耗尽的电池充电完成。


先进的充电器使用额外的安全特色,例如,对许多先进的充电器而言,如果电池温度小于0℃或大于45℃时会停止充电。


对NiMH电池而言,充电终止会以电池包的dv/dt读数为基础,或是dT/dt(单位时间的电池温升),或是两者的组合。在这个例子中,温度侦测是种可能的安全警惕,也是一种终止方式。


《图二 NiMH充电图》
《图二 NiMH充电图》

电池充电-系统考量

要快速而可靠的对于任何电池再充电,便需要高性能充电系统,下列的系统参数可确保一个可靠、有效成本的解决方案:


输入源

许多应用使用非常便宜的墙壁盒作为输入供应。输出电压非常高度仰赖范围广泛的AC输入电压,以及来自墙壁方盒的负载电流。


至于应用上汽车接头所充电的会体验到相类似的问题,汽车接头的输出电压传统上的范围是9V到18V。


输出电压调节精确性

对锂离子电池而言,输出电压调节精确性对扩大电池容量运用而言非常重要。在输出电压精确性上小量的减少会导致在容量上大量减低。不过,输出电压不能任意设定过高,这是由于安全与可靠度考量,(图三)显示出电压调节精确性的重要性。


《图三 容量损失对电压不足》
《图三 容量损失对电压不足》

充电终止方式

过度充电是锂离子和NiMh电池的致命弱点。精确充电终止方式是对于安全和可靠充电系统的基本要求。


电池温度监控

一般而言,一可充电电池应被充电的温度范围是0℃到45℃。在这个范围之外对电池充电可能导致电池过热,在一充电周期之间,在电池内的压力增加而导致它膨胀。由于温度直接与压力有关,电池内高温和高压的组合会导致机械破损或电池内漏气。在0℃到45℃温度之外对电池充电也可能损害电池性能,或减低其预期寿期。


「电池放电电流」或「逆向漏电」

在许多应用中,充电系统仍与电池相连接,甚至是在输入电源不存在时,充电系统在当输入电源不存在时会减少来自电池的漏电。最大的电流漏电应小于几个微安培。而且,理想上低于1微安培。


设计电池充电器

藉由上述的系统考量,便可研发出一个适当的充电管理系统。


线性解决方案

线性充电解决方案在当一个适当调节的输入源可使用时使用。线性充电解决方案的一个范例就是Microchip Technology的MCP738xx线性电池充电器系列。在这些应用中,线性解决方案提供了容易使用,尺寸和成本上之优点。


开关模式充电解决方案

对于一个广泛输入电压范围,像是未调节的AC-DC墙壁盒或是自动DC输入,开关稳压器会降低内部电池充电器电源耗损到一个可接受的程度。


选择拓朴

关闭稳压器拓朴定义稳压器的开关和被动过滤元件的组织架构。这个在组织上的差异会区分出拓朴,提供在复杂性、效率、噪音和输出电压范围之间的优劣交换。目前有许多转换器拓朴存在,而只有一些在5到50W范围内的电池充电器较欢迎。


降压稳压​​器

降压稳压​​器是电池充电应用上一种受欢迎的拓朴。它就和其它解决方案一样,具有下列优点和缺点:


优点

  • (1)低复杂性,单一感应器和拓朴;


  • (2)对同步应用而言,转换效率可达90%。



缺点

  • (1)降压稳压器MOSFET开关组成的二极体实体,在当输入电压不存在时会建立一条电池放电通道。因此需要一个额外的阻隔二记体,增加一个额外元件,因此,电压便会降到系统中;


  • (2)降压稳压器的输入电流是脉冲或「段落」。这种拓朴产生高电磁干扰(EMI)在电源供应的输入上。多数的降压稳压器需要额外的输入EMI过滤器;


  • (3)降压稳压器只可调节输出电压低于输入电压的部份。某些应用具有一个广泛的输入电压范围来扩展必须的输出电压范围。这对多巢式锂离子充电器应用是比较一般的行为;


  • (4)一单一错误模式(降压开关短路)建立起一个来自输入到电池的短路。对NiMH应用而言,其中并无内部的电池保护,这会引起一种安全性考量;


  • (5)降压稳压器需要高的侧驱动(以供通道MOSFET开关使用)。当与低侧边拓朴相比时比较复杂;


  • (6)外部开关电流感应到脉冲模组(PWN)控制器应用上是很复杂的。对于像是短路电池或负载的错误模式之限制开关电流是非常重要的。在没有高速开关电流限制下,电池充电器会在短路状况下被摧毁。




《图四 降压稳压器拓朴》
《图四 降压稳压器拓朴》

SEPIC(单端初级感应)稳压器

SEPIC升压器也是一种用于电池充电应用上的常见方式,它具有超过降压稳压器的优点和其它拓朴,和一些缺点。


优点

  • (1)阻隔二极体内建于电池系统拓朴内,所以没有额外元件或损失发生;


  • (2)当与降压稳压器输出电流的「段落」相比时,输入电流会持续(缓慢)自来源拉出;


  • (3)输入到输出是隔开的,是由一开关短路上保护负载或电池;


  • (4)SEPIC变压器拓朴具有调降或调升(降压驱动)能力;


  • (5)SEPIC开关是低侧边,在开关中简化闸极驱动和电流侦测;


  • (6)次要的侧平均感应器电流会与电池电流相同,让电流的侦测不会与电池的侧边成本串联。



缺点

  • (1)需要二个感应器或一个「耦合」感应器;


  • 100V)使用上會很貴。"(2)需要一个单一耦合电容,这在高功率(750W),或高电压(Vin100V)使用上会很贵。




《图五 SEPIC稳压器拓朴》
《图五 SEPIC稳压器拓朴》

开关式电池充电器设计

藉由将设计分割成两个部份,可能会发展出一个可负担的「智慧型」电源系统。本质上,电池充电器是种混合信号。例如,电源动力(在这个例子,是SEPIC整流器)是类比的。在高额时将电源开关开启或关必须要一些类比驱动电路的形式。在另一方面,充电终止时计,错误管理,和ON/OFF控制室典型使用计时和程式化能力的数位功能。


(表一) 电池充电器特性

输入电压

6V 到 20V

输出电压

0V 到 4.2V 对单一电池巢,0V 到 8.4V 对两个电池巢

先决电流

200 mA

先决门槛

3V

固定电流充电

2A

充电终止门槛

100mA (当充电周期已完成的电流)


特性:

  • ●过电压保护(电池移除);


  • ●过电流保护(电池或负载短路);


  • ●感测电池温度作为充电合格使用。



策略

使用一种两部份方式到混合信号设计中,第一个选择是一微控制器能够读取电池包的状态(电压和温度),并将SEPIC稳压器输出电流程式化,对本文的例子而言,将会使用PIC12F683 8-pin快闪微控制器。


接下来,增加一个高速、类比PWM并具有一个内建MOSFET驱动器,像是MCP1630来发展「类比」可程式化电流源。


设计一个SEPIC可程式化电流源

就如同所有开关稳压器设计一样,输出会由不同的方式来控制,像是工作周期,或开关开启时间Q1(图六)的百分比。要调节进入电池的电流,充电电流必须侦测到。如图六所示,并没有感测元件会与电池串联。而SEPIC稳压器的次级线圈Ls,会携带平均输出电流,而主要线圈Lp则携带平均输入电流,次级电阻Rs感测电池充电电流。而高速、类比PWM参考输入程式所想要的电池充电电流。



《图六 混和信号电池充电器方块图》
《图六 混和信号电池充电器方块图》

混合讯号设计

藉由使用MCP1630作为一个类比PWM和驱动器,一个「可程式化」SEPIC电源便可达成,PWM和驱动器提供类比电流调节,MOSFET闸极驱动,和在电流保护下的高速,PIC12F683微控制器设定SEPIC电源动力开关频(500KHz),并将SEPIC程式化为固定电流。


PWM和驱动器使用微控制器硬体PWM来设定SEPIC开关频率与最大的工作周期。硬体PWM频率相当于SEPIC电源动力开关频率,但硬体PWM工作周期设定最大的SEPIC电源动力工作周期。一个具有25%工作周期的一个500KHz脉冲会脱离微控制器硬体PWM设定SEPIC开关频率到500KHz并具有一个最大的工作周期75%。一个标准的微控制器I/O接脚会使用一个简单R,C过滤器产生一个软体可程式化的参考电压。这个可程式化参考程式会将固定电流SEPIC转换成一个精确的充电电流。


在非反相输入(Vref)时,可程式化参考电压会设定电压充电电流的量。而MCP1630PWM输出工作周期(Vext)会调整直到在Vref输入的电压等于在误差放大器回授输入电压。藉由调整在Vref输入上的电压来根据其结果调整电池电流。


PWM和驱动器课在频率大于500KHz时驱动MOSFET,同时使用一个内部高速(传统为12ns)比较器来监控SEPIC开关电流。若关闭电流过高,PWM工作周期会终止,而限制了电池电流。


最后,充电电流会依据像是电池电压和温度的资讯来调整,并由一类比到数位转换器(ADC)上来接收。


要发展一固定电压充电阶段,微控制器AD转换器会读取电池电压并更新可程式化电流源(SEPIC)来维持电池电压在4.2V上。


当受到固定电流限制时这会在电池电压改变非常快速的速率时发生。


对锂离子应用而言,当电流需要维持电池电压在一个固定的4.2V上,以减低到某些电池速率(100mA)的百分比时会终止充电电流。在典型的类比充电器中,这个终止充电电流是充电周期电流的一个百分比,所以不能轻易被改变。


对NiMH应用而言,当这两种状况发生时,快速充电周期终止,不论是电池电压维持固定或随时间下降,或是电池包温度较一预先决定值上升较高。当快速充电终止时,便开始一种慢速、定时缓慢的充电。


有效成本,「智慧型」电源系统的研发是可能藉由结合一类比PWM和具有一个标准微控制器的驱动器来达成。


ADC输入和电池包热敏电阻结合在一起可侦测电池温度。藉由在「TEMP_SENSE」输入上读取电压,便可决定电池温度。


当侦测到电池电压太高而达到超出电压保护(OV)时,会有PIC12F683代码的冲突。而SEPIC转换器会在少于μs之内关闭,而在电池终止时发生最短过压现象。


SEPIC转换器二级保护任何电池放电的路径回到系统充电器中。只有来自电池的静止电流是来自一个电池电压感测路径,通常会低于5μA。


选择性功能

除此之外,使用一个单一微控制器和多个高速类比PWM模组可让额外的充电器增作为多槽应用之用,以及异相开关计数与输入电源预算功能。


像是这里列出的韧性项目会增加系统精准度,因为它们可调校锂离子终止电压和充电电流。


结论

藉由使用一种混合信号的方式来发展电池充电器,电池充电器设计可同时采用类比和数位世界的最佳优点。使用一个混合信号方式可器用高频操作(500KHz)、高速保护(12ns电流感测到输出上),和减少过滤元件的尺寸。此外,系统可程式化的数位特色可用以决定适当的充电阶段并设定充电电流。


由于它可协助设定和电流的程式化,韧体可强化新电池充电方式,这种方式会区分出与另一种混合信号多种设计的差别。这种设计形式不只限于锂离子和NiMH电池,而且还保留了未来可充电技术程式化到系统内的管道。


---作者Terry Cleveland为Microchip Technology应用工程师;Scott Dearborn为原理应用工程师---


<参考资料:


1. David Linden, Thomas B. Reddy, Handbook of Batteries, Third Edition (New York: McGraw- Hill, Inc., 2002).


2. http://sanyo.com/batteries/lithium_ion.cfm


3. Low Cost Li-Ion Battery Charger User’是 Guide%2C DS51555


4. PIC12F683 Data Sheet, DS41211.


5. MCP1630 Data Sheet, DS21896A.


6. MCP1630 Li-Ion Multi-Bay Battery Charger User’是 Guide%2C DS51515.


7. Microchip Application Note: AN 960, DS00960。 "


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