蓄電池充電機(jī)充電電路設(shè)計(jì)需要注意哪些問(wèn)題？
2019-1-28 14:20:37??????點(diǎn)擊：
通常為了提高電池充電時(shí)的可靠性和穩(wěn)定性，我們會(huì)用蓄電池充電機(jī)電源管理芯片來(lái)控制電池充電的電壓與電流，但是在使用蓄電池充電機(jī)電源管理芯片設(shè)計(jì)充電電路時(shí)，我們往往對(duì)蓄電池充電機(jī)充電電路每個(gè)時(shí)間段的工作狀態(tài)及電路設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)存在一些困惑，下面我們來(lái)簡(jiǎn)單討論。
電池充電方式簡(jiǎn)介
理論上為了防止因充電不當(dāng)而造成電池壽命縮短，我們將電池的充電過(guò)程分為四個(gè)階段：涓流充電（低壓預(yù)充，此狀態(tài)的電池電壓比較低，實(shí)際使用時(shí)，建議將鋰電池欠壓保護(hù)點(diǎn)提高，避免電池出現(xiàn)過(guò)放電現(xiàn)象）、恒流充電、恒壓充電以及充電終止。典型的蓄電池充電機(jī)充電方式是：先檢測(cè)待充電電池的電壓，在電池電壓較低情況下，先進(jìn)行預(yù)充電，充電電流為設(shè)定的最大充電電流的1/10，當(dāng)電池電壓升到一定值后，進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)充電過(guò)程。標(biāo)準(zhǔn)充電過(guò)程為：以最大充電電流進(jìn)行恒流充電，電池電壓持續(xù)穩(wěn)定上升，當(dāng)電池電壓升到接近設(shè)定的最大電壓時(shí)，改為恒壓充電，此時(shí)，充電電流逐漸下降，當(dāng)電流下降至最大充電電流的1/10時(shí)，充電結(jié)束。圖1為充電曲線：
圖1
但在實(shí)際應(yīng)用中，為增加電池充放電循環(huán)次數(shù)和縮短充電時(shí)間，我們會(huì)將鋰電池欠壓保護(hù)點(diǎn)提高，同時(shí)設(shè)定的充電終止電壓低于標(biāo)稱(chēng)值，這樣電池便不會(huì)存在過(guò)充與過(guò)放現(xiàn)象，且可以避開(kāi)“預(yù)充電”階段，直接進(jìn)行大電流充電，縮短充電時(shí)間。
電池充電電路設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)
若設(shè)計(jì)的蓄電池充電機(jī)充電電路沒(méi)有防倒灌保護(hù)，將會(huì)產(chǎn)生許多危害。以輸出端接2節(jié)鋰電池串聯(lián)為例，若僅將電源去除，蓄電池充電機(jī)沒(méi)有移除，電池內(nèi)的電流倒灌至充電電路中，導(dǎo)致電池電量白白損失。且更嚴(yán)重的安全隱患是：對(duì)于降壓電源芯片來(lái)說(shuō)，電池電流從輸出端，經(jīng)芯片內(nèi)部功率管寄生的二極管倒灌至芯片的VIN端，當(dāng)電路的輸出端電壓（電池電壓）低于設(shè)定值時(shí)，芯片F(xiàn)B點(diǎn)電壓相應(yīng)的也會(huì)低于標(biāo)稱(chēng)值，芯片開(kāi)始工作來(lái)提高輸出端電壓；由于輸入端電壓幾乎與輸出端相等，對(duì)于降壓芯片來(lái)說(shuō)，輸入端無(wú)法給輸出端提供能量，導(dǎo)致FB點(diǎn)電壓一直低于標(biāo)稱(chēng)值，芯片進(jìn)入占空比100%的工作狀態(tài)。此時(shí)若是輸入端突然恢復(fù)供電，輸入端電源會(huì)經(jīng)過(guò)已經(jīng)打開(kāi)的功率管直接把能量輸送到輸出端，由于輸入輸出存在壓差，瞬間會(huì)有比較大的電流流過(guò)功率管，若此時(shí)由于其它不可控的原因?qū)е滦酒茨芗皶r(shí)有效做出響應(yīng)來(lái)關(guān)閉功率管，這個(gè)大電流有可能會(huì)使芯片內(nèi)部開(kāi)關(guān)管損壞。因此在設(shè)計(jì)電池充電電路時(shí)，我們需要添加防倒灌的措施。
升壓方案由于續(xù)流二極管可以起到防倒灌的作用，所以一般不外加防倒灌措施。但是對(duì)于降壓方案，需要對(duì)電池充電電路添加防倒灌措施。
以XL4301蓄電池充電機(jī)充電電路為例，如圖2、圖3所示（紅色虛線框中為防電流倒灌電路）。輸入12V，輸出接單節(jié)鋰電池（3.1V- 4.3V），最大充電電流0.8A；其中最大充電電流IOUT=VCS/RCS=0.11/0.137≈0.803A，最大充電電壓VOUT=VFB*（1+R2/R1）=1.25*（1+7.87/3.3）≈4.231V。
圖2電路中，我們選擇一個(gè)肖特基二極管防止電流倒灌，這是簡(jiǎn)單有效的方法。為降低肖特基D2溫度，選用的肖特基電流能力是充電電流2倍以上。
圖2
由于肖特基壓降比較大，會(huì)增加系統(tǒng)損耗；為減小防倒灌電路產(chǎn)生的損耗，我們可以采用MOS管來(lái)防止電流倒灌，如圖3。正常工作時(shí)，PMOS管導(dǎo)通，電流經(jīng)過(guò)MOS管給鋰電池充電，MOS管功耗較小；當(dāng)輸入端斷電時(shí)，PMOS關(guān)斷，起到防止電流倒灌的作用。其中DZ1的選取遵循VOUT＜VDZ1 ＜VIN。
圖3
備注：當(dāng)輸出端電壓小于8.4V時(shí)，電路中DZ2與R6可以省去。
電池充電方式簡(jiǎn)介
理論上為了防止因充電不當(dāng)而造成電池壽命縮短，我們將電池的充電過(guò)程分為四個(gè)階段：涓流充電（低壓預(yù)充，此狀態(tài)的電池電壓比較低，實(shí)際使用時(shí)，建議將鋰電池欠壓保護(hù)點(diǎn)提高，避免電池出現(xiàn)過(guò)放電現(xiàn)象）、恒流充電、恒壓充電以及充電終止。典型的蓄電池充電機(jī)充電方式是：先檢測(cè)待充電電池的電壓，在電池電壓較低情況下，先進(jìn)行預(yù)充電，充電電流為設(shè)定的最大充電電流的1/10，當(dāng)電池電壓升到一定值后，進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)充電過(guò)程。標(biāo)準(zhǔn)充電過(guò)程為：以最大充電電流進(jìn)行恒流充電，電池電壓持續(xù)穩(wěn)定上升，當(dāng)電池電壓升到接近設(shè)定的最大電壓時(shí)，改為恒壓充電，此時(shí)，充電電流逐漸下降，當(dāng)電流下降至最大充電電流的1/10時(shí)，充電結(jié)束。圖1為充電曲線：
圖1
但在實(shí)際應(yīng)用中，為增加電池充放電循環(huán)次數(shù)和縮短充電時(shí)間，我們會(huì)將鋰電池欠壓保護(hù)點(diǎn)提高，同時(shí)設(shè)定的充電終止電壓低于標(biāo)稱(chēng)值，這樣電池便不會(huì)存在過(guò)充與過(guò)放現(xiàn)象，且可以避開(kāi)“預(yù)充電”階段，直接進(jìn)行大電流充電，縮短充電時(shí)間。
電池充電電路設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)
若設(shè)計(jì)的蓄電池充電機(jī)充電電路沒(méi)有防倒灌保護(hù)，將會(huì)產(chǎn)生許多危害。以輸出端接2節(jié)鋰電池串聯(lián)為例，若僅將電源去除，蓄電池充電機(jī)沒(méi)有移除，電池內(nèi)的電流倒灌至充電電路中，導(dǎo)致電池電量白白損失。且更嚴(yán)重的安全隱患是：對(duì)于降壓電源芯片來(lái)說(shuō)，電池電流從輸出端，經(jīng)芯片內(nèi)部功率管寄生的二極管倒灌至芯片的VIN端，當(dāng)電路的輸出端電壓（電池電壓）低于設(shè)定值時(shí)，芯片F(xiàn)B點(diǎn)電壓相應(yīng)的也會(huì)低于標(biāo)稱(chēng)值，芯片開(kāi)始工作來(lái)提高輸出端電壓；由于輸入端電壓幾乎與輸出端相等，對(duì)于降壓芯片來(lái)說(shuō)，輸入端無(wú)法給輸出端提供能量，導(dǎo)致FB點(diǎn)電壓一直低于標(biāo)稱(chēng)值，芯片進(jìn)入占空比100%的工作狀態(tài)。此時(shí)若是輸入端突然恢復(fù)供電，輸入端電源會(huì)經(jīng)過(guò)已經(jīng)打開(kāi)的功率管直接把能量輸送到輸出端，由于輸入輸出存在壓差，瞬間會(huì)有比較大的電流流過(guò)功率管，若此時(shí)由于其它不可控的原因?qū)е滦酒茨芗皶r(shí)有效做出響應(yīng)來(lái)關(guān)閉功率管，這個(gè)大電流有可能會(huì)使芯片內(nèi)部開(kāi)關(guān)管損壞。因此在設(shè)計(jì)電池充電電路時(shí)，我們需要添加防倒灌的措施。
升壓方案由于續(xù)流二極管可以起到防倒灌的作用，所以一般不外加防倒灌措施。但是對(duì)于降壓方案，需要對(duì)電池充電電路添加防倒灌措施。
以XL4301蓄電池充電機(jī)充電電路為例，如圖2、圖3所示（紅色虛線框中為防電流倒灌電路）。輸入12V，輸出接單節(jié)鋰電池（3.1V- 4.3V），最大充電電流0.8A；其中最大充電電流IOUT=VCS/RCS=0.11/0.137≈0.803A，最大充電電壓VOUT=VFB*（1+R2/R1）=1.25*（1+7.87/3.3）≈4.231V。
圖2電路中，我們選擇一個(gè)肖特基二極管防止電流倒灌，這是簡(jiǎn)單有效的方法。為降低肖特基D2溫度，選用的肖特基電流能力是充電電流2倍以上。
圖2
由于肖特基壓降比較大，會(huì)增加系統(tǒng)損耗；為減小防倒灌電路產(chǎn)生的損耗，我們可以采用MOS管來(lái)防止電流倒灌，如圖3。正常工作時(shí)，PMOS管導(dǎo)通，電流經(jīng)過(guò)MOS管給鋰電池充電，MOS管功耗較小；當(dāng)輸入端斷電時(shí)，PMOS關(guān)斷，起到防止電流倒灌的作用。其中DZ1的選取遵循VOUT＜VDZ1 ＜VIN。
圖3
備注：當(dāng)輸出端電壓小于8.4V時(shí)，電路中DZ2與R6可以省去。
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