一種混合信號通用電池充電器設(shè)計

　　線性解決方案

　　當(dāng)輸入源穩(wěn)壓良好時，可以采用線性充電解決方案。Microchip的MCP738xx 線性電池充電器系列就是一個線性充電解決方案的例子。在這些應(yīng)用中，線性解決方案提供了諸多優(yōu)點(diǎn)，如易于使用、尺寸小以及低成本。

　　開關(guān)式充電解決方案

　　對于輸入電壓范圍較寬的情況，如無穩(wěn)壓的AC-DC墻式適配器或汽車DC輸入，開關(guān)式穩(wěn)壓器可以將電池充電器內(nèi)部的功率損耗降到合理的水平。

　　選擇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　開關(guān)式穩(wěn)壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定了穩(wěn)壓器開關(guān)和無源濾波元件的構(gòu)成。這種構(gòu)成的差異隨拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇而變化，從而要在復(fù)雜性、效率、噪聲以及輸出電壓范圍之間權(quán)衡。電源轉(zhuǎn)換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)很多，但只有幾種適用于5W50W范圍的電池充電器。

　　降壓穩(wěn)壓器

　　降壓穩(wěn)壓器是電池充電應(yīng)用的一種常用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。降壓穩(wěn)壓器具有以下優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)：

　　優(yōu)點(diǎn)：1. 復(fù)雜性低、單電感結(jié)構(gòu)。2. 對于同步應(yīng)用，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)90%。

　　缺點(diǎn)：1. 降壓穩(wěn)壓器MOSFET開關(guān)集成的二極管在沒有輸入電壓時會構(gòu)成一個電池放電通路。因此需要一個額外的阻斷二極管，增加額外器件的同時也導(dǎo)致系統(tǒng)中出現(xiàn)額外的壓降。2. 降壓穩(wěn)壓器的輸入電流是脈沖式或間歇的。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在電源的輸入端產(chǎn)生較高的電磁干擾(EMI)。大多數(shù)降壓穩(wěn)壓器都需要額外的輸入EMI濾波。3. 降壓穩(wěn)壓器只能對比輸入電壓低的輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)壓。有些應(yīng)用的輸入電壓范圍寬，覆蓋到必需的輸出電壓范圍。對于對多節(jié)鋰離子電池單元組成的電池組進(jìn)行充電的應(yīng)用來說，這種情況很常見。4. 發(fā)生降壓開關(guān)短路故障時，輸入至電池之間短路。對于不具備電池內(nèi)部保護(hù)的鎳氫電池，就會引發(fā)安全問題。5. 降壓穩(wěn)壓器需要高端驅(qū)動(對N通道MOSFET開關(guān))，與低端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，這會帶來更大的復(fù)雜性。6. 脈寬調(diào)制(PWM)控制器應(yīng)用中的外部開關(guān)電流檢測比較復(fù)雜。對于電池短路或負(fù)載短路等故障模式來說，限制開關(guān)電流非常重要，沒有高速開關(guān)電流限制能力，電池充電器在發(fā)生短路時會被損壞。

　　SEPIC(單端初級電感)穩(wěn)壓器

　　SEPIC穩(wěn)壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在電池充電應(yīng)用中也比較普遍。與降壓穩(wěn)壓器和其它拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，SEPIC穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)具有很多優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)然也有一些缺點(diǎn)。

　　優(yōu)點(diǎn)：1. 阻斷二極管內(nèi)建于電池系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，因此，不需要額外的元件，也不會導(dǎo)致額外的損失。2. 與降壓穩(wěn)壓器的脈沖式輸入電流相比，從電源汲取的輸入電流是連續(xù)的(平滑的)。3. 輸入至輸出是隔離的，因此在開關(guān)短路時可以保護(hù)負(fù)載或電池。4. SEPIC穩(wěn)壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有升壓或降壓能力。5. SEPIC開關(guān)是低端驅(qū)動結(jié)構(gòu)，簡化了柵極驅(qū)動以及開關(guān)中的電流檢測。6. 次級側(cè)電感平均電流等于電池電流，因此檢測電流不需要在電池低端串聯(lián)電阻。

　　缺點(diǎn)：1. 需要兩個電感或一個耦合電感。 2. 需要一個耦合電容，對于大功率(> 50W)，或高電壓(VIN > 100V)應(yīng)用，成本較高。

　　開關(guān)式電池充電器設(shè)計

　　通過將設(shè)計劃分為兩部分，可以開發(fā)出經(jīng)濟(jì)的智能電池充電器系統(tǒng)。電池充電器實(shí)質(zhì)上是混合信號系統(tǒng)。例如，電源部分(本例中即SEPIC穩(wěn)壓器)是模擬的。電源以高頻開/關(guān)，需要某種模擬驅(qū)動電路。另一方面，充電結(jié)束定時器、故障管理以及開/關(guān)控制一般是數(shù)字化控制的，需要定時器和可編程能力。

　　電池充電器技術(shù)參數(shù)

　　輸入電壓：6V20V

　　輸出電壓：0V4.2V(單節(jié)電池)， 0V8.4V(兩節(jié)電池)

　　預(yù)充電流：200 mA

　　預(yù)充閾值：3V

　　恒流充電：2A充電

　　結(jié)束閾值：100 mA(觸發(fā)充電周期結(jié)束的電流值)

　　特性：過壓保護(hù)(電池移除)

　　過流保護(hù)(電池或負(fù)載短路)

　　檢測電池溫度：保證充電安全