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                  電池充電器簡介

                  技術專題

                  電池充電器簡介


                  電池充電器簡介

                  首先,我回顧了 Microchip MCP73831,它使用簡單,而且是一塊很好的電池。接下來,我將回顧德州儀器BQ24092,這是一款稍微先進的電池充電器。

                  最后,我們將看看一個明顯更復雜的電池充電器,德州儀器 BQ24703。

                  前兩個充電器(MCP73831 BQ24092)都是線性充電器,而 BQ24703 是開關模式降壓充電器。

                  MCP73831

                  我要回顧的第一個電池充電器是 Microchip MCP73831。該電池充電器旨在為單節電池充電,適用于鋰離子或鋰聚合物電池。

                  1——使用 MCP73831 的典型應用的原理圖。

                  單節鋰電池輸出約3.6V。所以如果你看到額定輸出電壓為7.2V的鋰電池,那么它就是由兩節電池串聯而成。如果電池電壓為 14.4 V,則為 4 芯電池組。

                  為了給多節電池組充電,您必須有一個大于電池充電電壓的輸入電源電壓,或者您需要一個能夠產生高于輸入電源的充電電壓的開關模式升壓充電器。

                  鋰電池充電的三個階段

                  鋰電池充電分為三個階段:預充電階段、快速充電階段和充電終止階段。

                  在預充電或快速充電時,充電器會調節進入電池的電流量。但在充電終止期間,充電器會調節流入電池的電壓,同時測量流入電池的電流。

                  2 – 可充電鋰電池的充電階段(圖表來自德州儀器 BQ24092 數據表)

                  1 – 預充電階段

                  第一階段是預充電階段,也稱為涓流階段。在此階段,電池充電器僅向電池發送少量電流(涓流充電)。如果檢測到電池,充電器將開始充電過程。

                  涓流充電是完全充電電流的一小部分。此階段的目標是將電池充電到某個點,以便在后續階段快速充電(見下文)。

                  當電池高度放電且電壓低于特定閾值時,充電器會自動進入預充電階段。

                  一旦開始預充電,充電器就會監控電池電壓,直到達到預充電電壓閾值。

                  預充電電壓閾值是您負責編程的最大充電電流的預定義百分比。

                  一旦電池電壓超過預充電電壓閾值,電池充電器進入快速充電階段。

                  2 – 快速充電階段

                  快速充電階段,也稱為恒流階段,調節進入電池的電流量。

                  預充電和快速充電電流均由 MCP73831 PROG 引腳上的單個電阻器設置。

                  恒流用于給電池充電,根據您選擇的最大充電電流進行調節。

                  對于 MCP73831,最大充電電流是通過在編程引腳和地之間連接一個電阻來設置的(見圖 1)。您可以選擇從 15 mA 一直到 500 mA 的充電電流。

                  一旦電池在這個快速充電階段接近充電,它就會切換到充電終止階段。

                  3 – 充電終止階段

                  充電的最后階段稱為充電終止階段或恒壓階段。在此階段,電池充電器切換到電壓控制模式,在此模式下,它會調節流入電池的電壓而不是電流。

                  雖然電池的電壓是被調節的,但充電器通過測量充電電流來監控充電過程。

                  一旦電壓控制模式下的充電電流降至編程電流的預定百分比以下,充電器就會知道電池已充滿電,充電過程將終止。

                  充電周期完成后,電池充電器將繼續監測電池電壓。如果電池電壓低于預設的再充電閾值,充電器將啟動新的充電周期,整個過程重復。

                  您會注意到圖 2 中的圖表還有一個稱為熱調節的第四階段。然而,只有在功耗足夠高以至于充電器的內部溫度超過 125C 時,這個階段才會發揮作用。

                  如果系統設計為充電器永遠不會達到此溫度,則不會進入熱調節階段。我在下面的功耗部分更詳細地討論了這一點。

                  設置快速充電電流

                  MCP73831 的快速充電電流由放置在編程引腳(PROG)上的電阻器設置為接地??焖俪潆婋娏饔梢韵鹿接嬎悖?span>

                  充電電流 = 1,000 / 電阻(公式 1

                  例如,如果電阻器是 2,000 歐姆的電阻器,則快速充電電流將計算為:

                  充電電流 = 1,000 / 2,000 = 0.5 A = 500 mA(公式 2

                  請注意,500mA 是此充電器的最大充電電流。如果改用 4,000 歐姆電阻,則最大充電電流僅為 250 mA。

                  準確的快速充電電流設置將取決于電池容量和外部電壓源可提供的最大電流。

                  給鋰電池充電時,最大充電速率通常應為 1 C,這意味著:

                  充電電流 = 1 x 電池容量(公式 3

                  例如,如果您有 500 mAh 的電池,則 1 C 的充電速率為 500 mA。如果您有 150 mAh 電池,則 1 C 充電速率將為 150 mA。

                  鋰電池的絕對最大充電電流通常為 2 C。因此,如果您有 150 mAh 電池,那么絕對最大充電電流將為 300 mAh。

                  雖然某些電池有可能達到如此高的充電率,但您通常希望堅持 1 C 的充電率,除非電池指定可以以更高的充電率充電。

                  您還需要考慮外部電源可以提供的最大電流。您需要設計系統,使輸入電流永遠不會超過外部電源的最大額定電流。

                  對于線性充電器,來自外部電源的輸入電流基本上等于快速充電電流設置。

                  然而,對于開關穩壓器,輸入電源電流與進入電池的快速充電電流有很大不同。

                  對于降壓充電器,輸入電流將小于電池電流,但對于升壓充電器,它將高于電池電流。

                  功耗

                  在使用電池充電器時,務必牢記功耗,尤其是像 MCP73831 這樣的線性充電器。線性充電器在某些情況下效率不高,充電器不會過熱至關重要。否則,充電電流將自動降低到所需水平以下,以防止溫度超過最大值。

                  線性充電器(或線性穩壓器)的功耗基于以下因素確定:

                  負載電流量

                  從輸入到輸出的電壓差

                  負載電流或電壓差越高,功率越高(記?。汗β?span> = 電壓 x 電流)。

                  從預充電階段過渡到快速充電階段時,通常會出現最大功耗和過熱的可能性。

                  此時,電池電壓處于最低點,因此充電器兩端的電壓差最大,并且在快速充電模式下電流也最大。這是電壓差和負載電流都達到最大值的點。

                  當從預充電過渡到快速充電時,MCP738 可提供不同的電池電壓閾值設置點。例如,假設該閾值為 70%。這意味著當電池電壓達到穩壓輸出電壓的 70% 時,充電器將切換到快速充電模式。

                  對于3.6V的鋰電池,恒壓模式下的穩壓充電電壓為4.2V,其中70%約為3V,因此電池在從預充到快充過渡時會處于3V。

                  請注意,MCP73831 提供 4 種不同的穩壓充電電壓:4.2 V、4.35 V、4.4 V 4.5 V。

                  假設我們從 USB 端口充電,該端口提供 5 V 的電壓。因此,在快速充電階段開始時,輸入端為 5 V,輸出端為 3 V。這相當于 2 V 差分。

                  如果快速充電電流設置為 500mA,則充電器在此轉換時將消耗 1 W 的功率。

                  您可以查閱充電器的數據表以確定 Theta-JA 額定值。這通常列在熱特性溫度規格下。Theta-JA 將以 C/watt 報告。

                  3——MCP73831 數據表中的熱規格。

                  要確定您的充電器會發熱多少,請使用以下公式:

                  溫度增益 = 耗散瓦數 x Theta-JA       (公式 4

                  該等式告訴您組件將加熱到高于環境空氣溫度的程度。要獲得絕對溫度,您仍必須將環境空氣溫度添加到等式 4 中。

                  例如,如果計算溫度增益為 50 C,而環境空氣溫度為 40 C,則組件將處于 90 C。

                  大多數電子元件的額定溫度最高為 125 C。始終避免超過此溫度,否則充電器會根據需要降低充電電流,以將溫度保持在 125 C 以下。

                  封裝類型:SOT 23 DFN

                  MCP738 有兩種封裝,包括有鉛 SOT-23 封裝和無鉛 DFN 封裝。DFN 的熱特性明顯優于 SOT-23。

                  4——MCP73831 的兩種可用封裝。

                  SOT-23 SOT-23 Theta-JA 額定值為 230 C/watt。因此,如果充電器消耗 1 瓦的功率,它會升溫 230 C。如果您假設您處于室溫 (25 C),充電器實際上會加熱到 255 C。

                  這肯定會觸發熱調節階段,從而降低充電電流以確保充電器溫度保持在 125C 以下。SOT-23 封裝只應選擇用于低功率應用。

                  東風網。另一方面,DFN 封裝的 Theta-JA 僅為 76 C。因此,對于每 1 瓦功率,產品只會加熱 76 C。同樣,假設您處于室溫,產品是將加熱到 101 C。這低于 125 C 閾值,比 SOT-23 好得多。

                  因此對于具有高功耗要求的應用,DFN 封裝是最佳選擇。

                  選擇線性充電器以滿足所需功率要求的關鍵標準包括封裝(考慮 Theta-JA 規范)、耗散的功率以及產品將在其中運行的最高環境溫度。

                  使用開關充電器,過熱不再是一個問題,因為它們往往更節能,而且通常不會耗散大量功率。

                  保護您的電池

                  您可能知道也可能不知道,鋰電池的揮發性很強。如果您對它們充電過多或短路,它們可能會著火或爆炸。

                  你們都可能聽說過三星 Galaxy 手機不斷著火。出于這個原因,在使用這些電池時要考慮保護非常重要。

                  5 – 如果沒有適當的保護,可充電鋰電池可能會著火或爆炸。

                  在保護方面,您可以采取兩種選擇:

                  選項 1:選擇具有內置保護功能的電池。我幾乎總是建議您使用內置保護功能的電池,至少在最初是這樣。

                  例如,如果您看一下鋰聚合物電池,它們中的許多都會在一些膠帶(通常是金色)下面有一個微型電路板,該膠帶位于引線出來的頂部。

                  那個電路板已經內置了,它是保護電池的東西。它可以防止過度充電或短路。

                  6 – 我建議您最初堅持使用已經內置必要保護 PCB 的鋰電池。

                  選項#2:自己設計保護措施。您可以將保護單獨設計為您自己產品的一部分或在您自己的電路板上。但是,我通常不建議一開始這樣做。

                  如果您的電路工作不正常,當您試圖讓電路工作時,您就有電池爆炸的風險。

                  我幾乎總是建議堅持使用內置了這種保護的電池。這樣你就不必擔心了。

                  MCP73831 摘要:

                  最大充電電流限制為 500 mA

                  僅限單節充電器

                  線性充電器(相對于開關模式充電器)

                  總共只有五個引腳

                  單狀態輸出引腳

                  用于設置各種充電電流的單引腳

                  無法監控電池溫度

                  德州儀器 BQ24092

                  MCP73831類似,BQ24092是一款用于為單個鋰電池充電的線性電池充電器。MCP73831 只有 5 個有源引腳,而 BQ24092 9 個有源引腳。

                  額外的引腳之一允許您獨立編程預充電和充電終止電流與快速充電電流分開。

                  另一個附加引腳提供狀態輸出,指示存在足夠的輸入電源電壓。另一個管腳監控電池溫度,最后一個額外的管腳是 USB 應用的充電電流覆蓋功能。

                  我們很快就會更深入地研究所有這些額外的引腳。

                  7 – Texas Instruments BQ24092 電池充電器的典型應用圖。

                  更高的快速充電電流

                  BQ24092 MCP73831 之間的一大差異是最大充電電流。使用 MCP73831,您可以將快速充電電流設置為 15 mA 500 mA。

                  使用 BQ24092,您可以在 10 mA 1,000 mA 之間設置充電電流。充電電流通過連接到 ISET 引腳的電阻設置。

                  由于 BQ24092 具有更高的最大充電電流,因此在為較大的電池充電時使用尤其有利。

                  如前所述,您通常希望以 1 C 的速率為鋰電池充電。

                  例如,如果您有一個 500 毫安時的電池,您希望以 500 毫安的最大充電電流為其充電。另一方面,如果您有 1000 毫安時的電池,那么您希望以 1000 毫安的最大電流為其充電。

                  如果您使用低于 1C 的充電電流,充電過程將花費不必要的長時間。由于我們都希望設備能夠盡快充電,因此您通常希望以電池允許的最大速率充電。

                  如果您使用的是 500 mAh 電池,那么與 MCP73831 相比,使用 BQ24092 不會有太大的好處。但是,如果您擁有 1,000mAh 的電池,那么 BQ24092 的充電速度是 Microchip 電池充電器的兩倍。

                  預充電和充電終止電流

                  為了快速查看,您通常需要為電池充電器編程三種不同的充電電流水平:

                  預充電電流。這也稱為預處理充電電流或涓流充電電流。如果電池高度放電,它是一種低電流,可以對電池進行預充電。您不能(或不應該)立即開始對電量耗盡的鋰電池進行快速充電。將此預處理階段視為類似于在寒冷的冬日駕駛汽車之前預熱汽車的發動機。

                  快速充電電流。一旦電池達到一定的充電水平,通常約為完全充電的 10%,然后充電將轉換為快速充電模式。這是充電電流最大的時候。

                  終止電流。充電器輸出穩壓電壓并監控流入電池的充電電流。一旦充電電流低于某個閾值(稱為終止閾值),則認為電池已充滿電,充電過程停止。

                  MCP73831 使用單個電阻器來設置預充電電流、快速充電電流和充電終止電流。

                  這可能會有些限制,因此 BQ24092 提供了兩個單獨的引腳用于對充電電流進行編程。一個引腳設置快速充電電流,另一個引腳設置預充電和充電終止電流。

                  USB充電電流覆蓋功能

                  BQ24092 還具有一個稱為 ISET2 的特殊輸入引腳,允許您針對基于 USB 的充電應用覆蓋已編程的充電電流。

                  ISET2 引腳為高電平時,充電電流設置為 500 mA。當此引腳懸空時,充電電流降至僅 100 mA。當 ISET2 引腳被拉低時,使用編程的充電電流。

                  計算機上的 USB 端口(在 USB 行話中稱為標準下游端口或 SDP)最多可以提供 500 mA 的電流。

                  在最初的 USB 規范中,設備必須向主機請求許可(通過稱為枚舉的過程)才能提取 500 mA。如果沒有列舉,最大允許電流僅為 100 mA。

                  許多設備(尤其是電池沒電的設備)沒有發現 100 mA 甚至不足以啟動枚舉過程。因此,USB 規范在 2013 年進行了更新,以允許高達 500 mA 的電流而無需枚舉。

                  BQ24092 USB 規范更新之前發布,因此它為 USB 功能提供 100 mA 設置,即使該電流水平不再用于 USB。

                  電源良好引腳

                  MCP73831 BQ24092 都有一個引腳,可點亮 LED 以指示充電正在進行中。該引腳還可以用作饋入微控制器的輸出引腳,允許微控制器監控充電過程。

                  MCP73831 充電器上,此引腳稱為 STAT 引腳,而在 BQ24092 上稱為 CHG 引腳。

                  然而,與 MCP73831 不同的是,BQ24092 也有一個電源良好引腳(PG)。該引腳指示(通過 LED I/O 引腳連接到微控制器)為充電器供電的電源高于指定的可接受電壓閾值。

                  PG 功能是有益的,因為如果沒有合適的輸入電壓供應,許多組件將出現錯誤行為。

                  電池溫度感應

                  MCP73831 相比,BQ24092 的另一個重要優勢是它包含一個溫度檢測引腳。這允許充電器監控電池溫度,并根據需要調整充電電流以防止電池過熱。

                  有四個電池溫度閾值:60°C、45°C、10°C 0°C。正常充電發生在 10°C 45°C 之間。

                  如果電池溫度在 0°C 10°C 之間,則快速充電電流減少一半。如果溫度在 45°C 60°C 之間,最大調節電壓會降低到 4.1 V。如果電池溫度高于 60°C 或低于 0°C,則充電器被禁用。

                  德州儀器 BQ24703

                  我特別興奮地回顧 BQ4703 電池充電器,因為這恰好是我多年前在德州儀器擔任設計工程師時為德州儀器設計的充電器。

                  這個電池充電器比我們看到的前兩個要復雜得多,但本文將一步一步地介紹它。

                  我們將首先考慮將這款充電器與前兩款充電器區別開來的一些主要因素。然后,我們將回顧典型的應用示意圖。

                  開關穩壓器

                  與相對不太復雜的 MCP73831 BQ24092 相比,BQ24703 具有許多附加功能。然而,使這款充電器與眾不同的第一件事是它是一個開關充電器。

                  正如我所提到的,線性充電器(如 MCP73831 BQ24092)會浪費大量功率,尤其是在輸入電壓遠高于輸出電壓的情況下。

                  這種浪費的功率會以熱量的形式消散。如果溫度過高,充電器會被迫降低充電電流,以防止充電器過熱。發生這種情況時,電池將需要更長的時間來充電。

                  與線性穩壓器一樣,當輸入電壓明顯高于輸出電壓時,線性充電器會浪費更多功率。

                  旁注:線性充電器實際上只是一個具有調節電壓或電流能力(取決于充電階段)的線性穩壓器,因此許多相同的基本概念適用于兩者。開關模式穩壓器和開關模式充電器也是如此。

                  有兩種類型的開關充電器,降壓型和升壓型(就像開關穩壓器一樣)。

                  降壓穩壓器采用較高的電壓并將其降壓至較低的電壓,而升壓型穩壓器采用較低的電壓并將其升至較高的電壓。

                  BQ24703 是一款降壓開關模式充電器。因此,輸入電壓需要高于它試圖充電的電池電壓。當您的輸入電壓和輸出電壓之間存在較大的電壓差時,這種類型的充電器與線性充電器相比尤其有益。

                  例如,假設您的輸入電源為 12 V,但您的電池僅為 3.7 V 鋰電池。在此應用中,像 BQ24703 這樣的降壓開關充電器浪費的功率要比線性充電器少得多。

                  它還可以更快地為電池充電,因為它將能夠保持快速充電模式并使用指定的最大電流為電池充電,因為它不會進入熱調節模式。

                  另一方面,如果輸入電壓僅為 5V(例如使用 USB 充電器),那么線性充電器可能更有意義。線性充電器不那么復雜,需要的組件更少,而且更便宜,因此只有在真正需要時才使用開關模式充電器。

                  多節充電器

                  多節電池充電器允許您將多節電池串聯起來以獲得更高的輸出電壓。

                  例如,多節電池充電器不僅可以使用單個 3.7 V 電池,還可以將兩個 3.7 V 電池堆疊起來,以創建一個 7.4 V 雙節電池。您甚至可以堆疊三個電池以獲得 11.1 V,依此類推。