適用于全球交流電源鋰離子電池充電器設(shè)計(jì)

一次性電池不能夠充電,完全放電后的電池即為報(bào)廢電池。二次電池可以多次充電,但不同的化學(xué)特性對(duì)充電的要求也不同,特別是“快充”控制。目前,最常用的可充電電池是Li+、鎳氫(NiMH)、鎳鎘(Nicd)和鉛酸電池,其它類型的電池還很多,但沒有大規(guī)模投入使用。因?yàn)楸疚膬H討論利用交流適配器供電的充電器設(shè)計(jì),沒有考慮汽車電源供電的SLI鉛酸電池或更大容量電池的充電器。

不同化學(xué)類型的電池對(duì)充電器的要求

通?？焖俪潆姳蠕噶鞒潆姼軞g迎,但快速充電對(duì)電路的要求也復(fù)雜,鎳氫或鎳鎘電池的快速充電技術(shù)與其它電池也是不同的。鎳鎘和鎳氫電池通常在恒流狀態(tài)下快充,而不是恒壓狀態(tài)下?？斐浣K止檢測基于電壓和溫度的變化率,充電器還應(yīng)具備過壓保護(hù)和過熱保護(hù)功能。Li+和鉛酸電池充電器必須保證作用到電池上的電壓和電流最大值在規(guī)定的范圍內(nèi),當(dāng)電池電壓維持在最大單節(jié)電池電壓,充電電流下降到一個(gè)較低值時(shí),充電器終止充電。Li+和鉛酸電池充電器的區(qū)別在于所允許的充電電流、最大電池電壓,另外鉛酸電池充電器一般具有浮充能力(浮充是為了補(bǔ)充鉛酸電池的自放電,而對(duì)一個(gè)已經(jīng)完全充滿的電池繼續(xù)輸入充電電流的技術(shù)),Li+電池的自放電非常低,所以不需要浮充。

Li+電池

為便攜式產(chǎn)品選擇電池時(shí),最重要的是高能量密度、尺寸、重量和價(jià)格。迄今為止,Li+電池在最為流行的電池中能夠提供最高的體積和能量密度,但其每瓦時(shí)的成本也較高。鉛酸電池的每瓦時(shí)成本最低,但比較笨重。本文以Li+電池為例討論充電器的設(shè)計(jì),它在便攜式產(chǎn)品中已經(jīng)被普遍使用。我們選擇780mA的充電電流和4.2V的終止電壓。

圖1：通用輸入交流電壓的離線式Li+電池充電器。

圖1所示充電器無需微處理器干預(yù),輸入電源可以采用全球范圍的任何交流電源,省去了大體積60Hz變壓器,而且可提供單節(jié)Li+電池所要求的精確的充電電壓和電流。充電器IC(U4)集成了全面的保護(hù)功能(電壓、電流和自保護(hù)),確保Li+電池的安全充電。

假設(shè)Li+電池帶有過流、過壓和過熱保護(hù),這些保護(hù)特性在電池包里是必需的,因?yàn)槌潆娖陂g一旦電路出現(xiàn)故障,Li+電池將存在很大的危險(xiǎn)性,過流、過壓或溫度過高都有可能造成Li+電池爆炸。

電路描述

圖1包括兩顆主器件(U1和U4)、精密基準(zhǔn)(U3)和光耦(U2)。U1是離線式開關(guān)控制器,配合隔離變壓器、光耦和基準(zhǔn)產(chǎn)生隔離的穩(wěn)壓直流輸出。直流電壓供給電池充電器(U4),U4提供電流限制、電壓調(diào)節(jié)、電池充電和充電指示等功能。本方案中,U4是一款簡單的線性充電器,內(nèi)置調(diào)整管,結(jié)合其熱控制環(huán)路提供快速充電。

MAX5022的特性

U1(MAX5022)在寬輸入范圍的應(yīng)用中很容易設(shè)計(jì),本文所提供的方案要求能夠滿足全球各地的交流電源規(guī)格,這里假設(shè)通用的輸入電源電壓范圍為85VAC至265VAC。MAX5022的輸入范圍指標(biāo)以及評(píng)估板電路的輸入范圍恰好滿足這一需求。對(duì)于圖1所示充電器的電源端MAX5022評(píng)估板不需要作任何修改,隔離端只需對(duì)評(píng)估板的電阻值稍作修改。

對(duì)于更大功率的應(yīng)用,只需選取功率較大的開關(guān)管和能夠處理更大功率的變壓器即可。圖1所示電路要求充電電流為780mA,最大電池電壓為4.2V。對(duì)充電電源的要求與MAX5022評(píng)估板所提供的輸出相吻合：5V@1A,因此,不需要更換評(píng)估板的晶體管和變壓器。U4采用SOT23封裝,所以,充電器的尺寸在很大程度上取決于應(yīng)用對(duì)充電電源的需求。變壓器是電路中尺寸最大的元件,由于開關(guān)控制器的工作頻率大于250kHz,允許系統(tǒng)選用小尺寸的變壓器。

上電時(shí),在開關(guān)控制器工作之前,U1調(diào)節(jié)器直接通過泄漏電阻R1、R2從整流通路吸取少量的電流,兩個(gè)電阻阻值保證每個(gè)電阻上的壓降不會(huì)超出每個(gè)電阻的容限,Vin引腳電壓不會(huì)超出其28V額定值(30V為絕對(duì)最大值),U1在輸入電壓達(dá)到24V時(shí)開始開關(guān)操作,并吸取更大的電流(高于R1、R2所能提供的電流),在變壓器副邊線圈能夠提供足夠的能量之前,額外的電流由Vin引腳的旁路電容供給。這種處理方式能夠適合較寬的輸入電壓范圍,對(duì)效率的影響也很小,這是因?yàn)樵趩?dòng)過程中只需極小的供電電流(典型值為50uA)。

為了防止U1的Vin引腳出現(xiàn)過壓,可以在Vin與地之間接一個(gè)26V至30V的齊納管,電壓值需要高于欠壓鎖存電壓的最大值,低于該引腳所允許的最大絕對(duì)電壓。如果器件沒有啟動(dòng)正常的開關(guān)操作,則可認(rèn)為電路發(fā)生了某些問題,所以,這一保護(hù)措施對(duì)于U1來說并不是必需的。

U1是一款電流模式PWM控制器,具有逐周期限流電路,必要時(shí)其占空比可以提高到75%,非常適合圖1所示的反激拓?fù)?。原邊開關(guān)電流檢測采用尺寸為1206的1.78Ω電阻(R7),該電阻限制了變壓器原邊的最大電流。固定開關(guān)頻率和最大占空比限制使得最大限流具有輸出短路保護(hù)功能。

一旦短路輸出造成電路達(dá)到了上述限制條件,第三組線圈將無法提供10V以上的電壓(UVLO的低電壓門限),U1將再次進(jìn)入啟動(dòng)狀態(tài),停止開關(guān)操作。短路故障解除后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)恢復(fù)正常的工作狀態(tài)。