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混合信號電源系統發展概論
可供電池充電器應用

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

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當電池供電裝置持續變得更通用與強大效力時,所以就需要使用容易適應的電池充電器,使用標準元件,電池充電器設計可在製作同時更為有彈性與更具成本效益。混合信號設計簡化額外新式,獲得功能到系統上,而且容許增加區別的特色。


電池化學性質

許多不同的電池化學性質是用來供可充電式可攜式應用使用,包括了鋰離子(Li-Ion)、鎳氫(NiMH)、鎳鎘(NiCd)和酸性電池。本文將會專注在兩種較受歡迎的化學物質,鋰離子和NiMH,當然本文討論題目也適用於其它化學物質。


鋰離子電池具有所有電池型式中最高的能量密度,使它成為所有可充電式技術中最常用在可攜式裝置上。NiMH電池也很受歡迎,因為很安全又具環保意識,所以可以設計出一種混合信號,通用電池充電器來對這兩種化學物質充電。


電池充電術語

充電或放電率會以電池容量來表達,通常名為「C-Rate」,這個充電率等於充電或放電電流,而且定義為:


《公式一》
《公式一》

當電池在C-rate為時放電會傳遞出其1小時內容名義上的容量率。例如,若容量率是1000mhr,則1C的放電率相對於1000mA的放電電流。相同的,一個C/10的比率相對於100mA的放電電流。


較佳的充電資訊(Li-Ion和NiMH)

鋰離子電池化學物質使用固定,或可控制電流和固定電壓換算法,並可區分為四個階段:


  • (1)緩慢充電;


  • (2)固定電池充電;


  • (3)固定電壓充電;


  • (4)充電終止。



(圖一)顯示鋰離子電池充電的四個階段。NiMH較佳的演算包括了下列階段:


  • (1)緩慢充電;


  • (2)固定電池;


  • (3)充滿充電;


  • (4)充電終止。



第一階段:緩慢充電

緩慢充電會恢復電荷到較深的耗盡電池中。對鋰離子電池而言,當電池電壓低於大約3V時,電池充電會以最大0.1C的固定電流充電。對NiMH電池而言,緩慢充電狀況會減弱電池,當電池電壓大於0.9V的「快速」充電時,或是會開始固定電流充電。


第二階段:固定電流充電

對鋰離子和NiMH電池而言,在電池電壓上升超過緩慢充電限制時,會增加充電電流以能夠執行固定電流充電。固定電流充電應該在0.2C到1.0C範圍內。


第三階段:固定電壓

只針對鋰離子電池而言,固定電流充電結束而固定電壓階段開始,這時電池結束而固定電壓階段開始,這時電池電壓會達到4.2V。為了擴大性能,電壓調節容許度應比±1%還好。


第四階段:充電終止

對鋰離子電池而言,緩慢充電的繼續並不建議。取而代之,充電中只是個好的選項。對NiMH電池而言,一段時間的緩慢充電可確保100%的電池容量使用,當一段時間的緩慢充電完成時,便需要充電終止。


《圖一 鋰離子充電圖》
《圖一 鋰離子充電圖》

對鋰離子電池而言,兩種方式之一:最小充電電流,或是一定時(或是這兩種的結合),傳統上會終止充電。最小充電電流方式會監控在固定電壓階段的充電電流,並當充電電流減少到0.02C到0.07C的範圍時終止充電。定時方式決定當固定電壓階段開始,接著會繼續充電兩個小時,接著便是充電終止。


以這種方式充電可在大約2.5到3小時內可將內部深處耗盡的電池充電完成。


先進的充電器使用額外的安全特色,例如,對許多先進的充電器而言,如果電池溫度小於0℃或大於45℃時會停止充電。


對NiMH電池而言,充電終止會以電池包的dv/dt讀數為基礎,或是dT/dt(單位時間的電池溫升),或是兩者的組合。在這個例子中,溫度偵測是種可能的安全警惕,也是一種終止方式。


《圖二 NiMH充電圖》
《圖二 NiMH充電圖》

電池充電-系統考量

要快速而可靠的對於任何電池再充電,便需要高性能充電系統,下列的系統參數可確保一個可靠、有效成本的解決方案:


輸入源

許多應用使用非常便宜的牆壁盒作為輸入供應。輸出電壓非常高度仰賴範圍廣泛的AC輸入電壓,以及來自牆壁方盒的負載電流。


至於應用上汽車接頭所充電的會體驗到相類似的問題,汽車接頭的輸出電壓傳統上的範圍是9V到18V。


輸出電壓調節精確性

對鋰離子電池而言,輸出電壓調節精確性對擴大電池容量運用而言非常重要。在輸出電壓精確性上小量的減少會導致在容量上大量減低。不過,輸出電壓不能任意設定過高,這是由於安全與可靠度考量,(圖三)顯示出電壓調節精確性的重要性。


《圖三 容量損失對電壓不足》
《圖三 容量損失對電壓不足》

充電終止方式

過度充電是鋰離子和NiMh電池的致命弱點。精確充電終止方式是對於安全和可靠充電系統的基本要求。


電池溫度監控

一般而言,一可充電電池應被充電的溫度範圍是0℃到45℃。在這個範圍之外對電池充電可能導致電池過熱,在一充電週期之間,在電池內的壓力增加而導致它膨脹。由於溫度直接與壓力有關,電池內高溫和高壓的組合會導致機械破損或電池內漏氣。在0℃到45℃溫度之外對電池充電也可能損害電池性能,或減低其預期壽期。


「電池放電電流」或「逆向漏電」

在許多應用中,充電系統仍與電池相連接,甚至是在輸入電源不存在時,充電系統在當輸入電源不存在時會減少來自電池的漏電。最大的電流漏電應小於幾個微安培。而且,理想上低於1微安培。


設計電池充電器

藉由上述的系統考量,便可研發出一個適當的充電管理系統。


線性解決方案

線性充電解決方案在當一個適當調節的輸入源可使用時使用。線性充電解決方案的一個範例就是Microchip Technology的MCP738xx線性電池充電器系列。在這些應用中,線性解決方案提供了容易使用,尺寸和成本上之優點。


開關模式充電解決方案

對於一個廣泛輸入電壓範圍,像是未調節的AC-DC牆壁盒或是自動DC輸入,開關穩壓器會降低內部電池充電器電源耗損到一個可接受的程度。


選擇拓樸

關閉穩壓器拓樸定義穩壓器的開關和被動過濾元件的組織架構。這個在組織上的差異會區分出拓樸,提供在複雜性、效率、噪音和輸出電壓範圍之間的優劣交換。目前有許多轉換器拓樸存在,而只有一些在5到50W範圍內的電池充電器較歡迎。


降壓穩壓器

降壓穩壓器是電池充電應用上一種受歡迎的拓樸。它就和其它解決方案一樣,具有下列優點和缺點:


優點

  • (1)低複雜性,單一感應器和拓樸;


  • (2)對同步應用而言,轉換效率可達90%。



缺點

  • (1)降壓穩壓器MOSFET開關組成的二極體實體,在當輸入電壓不存在時會建立一條電池放電通道。因此需要一個額外的阻隔二記體,增加一個額外元件,因此,電壓便會降到系統中;


  • (2)降壓穩壓器的輸入電流是脈衝或「段落」。這種拓樸產生高電磁干擾(EMI)在電源供應的輸入上。多數的降壓穩壓器需要額外的輸入EMI過濾器;


  • (3)降壓穩壓器只可調節輸出電壓低於輸入電壓的部份。某些應用具有一個廣泛的輸入電壓範圍來擴展必須的輸出電壓範圍。這對多巢式鋰離子充電器應用是比較一般的行為;


  • (4)一單一錯誤模式(降壓開關短路)建立起一個來自輸入到電池的短路。對NiMH應用而言,其中並無內部的電池保護,這會引起一種安全性考量;


  • (5)降壓穩壓器需要高的側驅動(以供通道MOSFET開關使用)。當與低側邊拓樸相比時比較複雜;


  • (6)外部開關電流感應到脈衝模組(PWN)控制器應用上是很複雜的。對於像是短路電池或負載的錯誤模式之限制開關電流是非常重要的。在沒有高速開關電流限制下,電池充電器會在短路狀況下被摧毀。




《圖四 降壓穩壓器拓樸》
《圖四 降壓穩壓器拓樸》

SEPIC(單端初級感應)穩壓器

SEPIC穩壓器也是一種用於電池充電應用上的常見方式,它具有超過降壓穩壓器的優點和其它拓樸,和一些缺點。


優點

  • (1)阻隔二極體內建於電池系統拓樸內,所以沒有額外元件或損失發生;


  • (2)當與降壓穩壓器輸入電流的「段落」相比時,輸入電流會持續(緩慢)自來源拉出;


  • (3)輸入到輸出是隔開的,以由一開關短路上保護負載或電池;


  • (4)SEPIC穩壓器拓樸具有調降或調昇(降壓驅動)能力;


  • (5)SEPIC開關是低側邊,在開關中簡化閘極驅動和電流偵測;


  • (6)次要的側平均感應器電流會與電池電流相同,讓電流的偵測不會與電池的側邊成本串聯。



缺點

  • (1)需要二個感應器或一個「藕合」感應器;


  • (2)需要一個單一藕合電容,這在高功率(750W),或高電壓(Vin>100V)使用上會很貴。




《圖五 SEPIC穩壓器拓樸》
《圖五 SEPIC穩壓器拓樸》

開關式電池充電器設計

藉由將設計分割成兩個部份,可能會發展出一個可負擔的「智慧型」電源系統。本質上,電池充電器是種混合信號。例如,電源動力(在這個例子,是SEPIC整流器)是類比的。在高額時將電源開關開啟或關必須要一些類比驅動電路的形式。在另一方面,充電終止時計,錯誤管理,和ON/OFF控制室典型使用計時和程式化能力的數位功能。


(表一) 電池充電器特性

輸入電壓

6V 到 20V

輸出電壓

0V 到 4.2V 對單一電池巢,0V 到 8.4V 對兩個電池巢

先決電流

200 mA

先決門檻

3V

固定電流充電

2A

充電終止門檻

100 mA (當充電週期已完成的電流)


特性:

  • ●過電壓保護(電池移除);


  • ●過電流保護(電池或負載短路);


  • ●感測電池溫度作為充電合格使用。



策略

使用一種兩部份方式到混合信號設計中,第一個選擇是一微控制器能夠讀取電池包的狀態(電壓和溫度),並將SEPIC穩壓器輸出電流程式化,對本文的例子而言,將會使用PIC12F683 8-pin快閃微控制器。


接下來,增加一個高速、類比PWM並具有一個內建MOSFET驅動器,像是MCP1630來發展「類比」可程式化電流源。


設計一個SEPIC可程式化電流源

就如同所有開關穩壓器設計一樣,輸出會由不同的方式來控制,像是工作週期,或開關開啟時間Q1(圖六)的百分比。要調節進入電池的電流,充電電流必須偵測到。如圖六所示,並沒有感測元件會與電池串聯。而SEPIC穩壓器的次級線圈Ls,會攜帶平均輸出電流,而主要線圈Lp則攜帶平均輸入電流,次級電阻Rs感測電池充電電流。而高速、類比PWM參考輸入程式所想要的電池充電電流。



《圖六 混和信號電池充電器方塊圖》
《圖六 混和信號電池充電器方塊圖》

混合信號設計

藉由使用MCP1630作為一個類比PWM和驅動器,一個「可程式化」SEPIC電源便可達成,PWM和驅動器提供類比電流調節,MOSFET閘極驅動,和在電流保護下的高速,PIC12F683微控制器設定SEPIC電源動力開關頻(500KHz),並將SEPIC程式化為固定電流。


PWM和驅動器使用微控制器硬體PWM來設定SEPIC開關頻率與最大的工作週期。硬體PWM頻率相當於SEPIC電源動力開關頻率,但硬體PWM工作週期設定最大的SEPIC電源動力工作週期。一個具有25%工作週期的一個500KHz脈衝會脫離微控制器硬體PWM設定SEPIC開關頻率到500KHz並具有一個最大的工作週期75%。一個標準的微控制器I/O接腳會使用一個簡單R,C過濾器產生一個軟體可程式化的參考電壓。這個可程式化參考程式會將固定電流SEPIC轉換成一個精確的充電電流。


在非反相輸入(Vref)時,可程式化參考電壓會設定電壓充電電流的量。而MCP1630PWM輸出工作週期(Vext)會調整直到在Vref輸入的電壓等於在誤差放大器回授輸入電壓。藉由調整在Vref輸入上的電壓來根據其結果調整電池電流。


PWM和驅動器課在頻率大於500KHz時驅動MOSFET,同時使用一個內部高速(傳統為12ns)比較器來監控SEPIC開關電流。若關閉電流過高,PWM工作週期會終止,而限制了電池電流。


最後,充電電流會依據像是電池電壓和溫度的資訊來調整,並由一類比到數位轉換器(ADC)上來接收。


要發展一固定電壓充電階段,微控制器AD轉換器會讀取電池電壓並更新可程式化電流源(SEPIC)來維持電池電壓在4.2V上。


當受到固定電流限制時這會在電池電壓改變非常快速的速率時發生。


對鋰離子應用而言,當電流需要維持電池電壓在一個固定的4.2V上,以減低到某些電池速率(100mA)的百分比時會終止充電電流。在典型的類比充電器中,這個終止充電電流是充電週期電流的一個百分比,所以不能輕易被改變。


對NiMH應用而言,當這兩種狀況發生時,快速充電週期終止,不論是電池電壓維持固定或隨時間下降,或是電池包溫度較一預先決定值上升較高。當快速充電終止時,便開始一種慢速、定時緩慢的充電。


有效成本,「智慧型」電源系統的研發是可能藉由結合一類比PWM和具有一個標準微控制器的驅動器來達成。


ADC輸入和電池包熱敏電阻結合在一起可偵測電池溫度。藉由在「TEMP_SENSE」輸入上讀取電壓,便可決定電池溫度。


當偵測到電池電壓太高而達到超出電壓保護(OV)時,會有PIC12F683代碼的衝突。而SEPIC轉換器會在少於μs之內關閉,而在電池終止時發生最短過壓現象。


SEPIC轉換器二級保護任何電池放電的路徑回到系統充電器中。只有來自電池的靜止電流是來自一個電池電壓感測路徑,通常會低於5μA。


選擇性功能

除此之外,使用一個單一微控制器和多個高速類比PWM模組可讓額外的充電器增作為多槽應用之用,以及異相開關計數與輸入電源預算功能。


像是這裡列出的韌性項目會增加系統精準度,因為它們可調校鋰離子終止電壓和充電電流。


結論

藉由使用一種混合信號的方式來發展電池充電器,電池充電器設計可同時採用類比和數位世界的最佳優點。使用一個混合信號方式可器用高頻操作(500KHz)、高速保護(12ns電流感測到輸出上),和減少過濾元件的尺寸。此外,系統可程式化的數位特色可用以決定適當的充電階段並設定充電電流。


由於它可協助設定和電流的程式化,韌體可強化新電池充電方式,這種方式會區分出與另一種混合信號多種設計的差別。這種設計形式不只限於鋰離子和NiMH電池,而且還保留了未來可充電技術程式化到系統內的管道。


---作者Terry Cleveland為Microchip Technology應用工程師;Scott Dearborn為原理應用工程師---


<參考資料:


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’s Guide, DS51555


4. PIC12F683 Data Sheet, DS41211.


5. MCP1630 Data Sheet, DS21896A.


6. MCP1630 Li-Ion Multi-Bay Battery Charger User’s Guide, DS51515.


7. Microchip Application Note: AN960, DS00960。>


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