蓄電池快速充電控制器及其應用

2019-11-03 09:56:47

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廣州大學楊汝　　摘要：本文介紹了蓄電池及其管理技術的發展，討論了一種鎳鎘/鎳氫蓄電池快速充電控制器MAX713/MAX712的工作原理，及其線性模式和開關模式兩種工作方式，并給出了相應的實驗結果。
　　關鍵詞：蓄電池；快速充電控制器；線性模式；開關模式

引言
　　近年來，由于用戶的要求不斷提高及電子技術的不斷進步，電池技術及與之相關的電池充電、電池保護電路技術迅速發展。多年來，小型電子系統和設備一直以鎳鎘電池作為其標準配置。少數較大設備如便攜式計算機、高功率無線電設備等則靠密封型免維護鉛酸蓄電池供電。其后由于環境問題及對電池要求的提高，新的電池技術得到發展，產生了鎳氫電池、可充電堿性電池和鋰電池。

圖1 芯片引腳

圖2芯片結構圖
　　鎳氫電池和鎳鎘電池相比特性相似，但因容量更大，所以近年得到更廣泛的應用。當然鎳鎘電池由于其自然放電率低和低阻抗特性，在以后的一段時間里在一些場合仍將被使用。
　　在快速充電方面，鎳氫電池和鎳鎘電池也有所不同，鎳鎘電池被充滿時，端電壓開始下降，即dv/dt變為負值時，快充電模式應被終止；鎳氫電池被充滿時，即dv/dt變為零時，快充電模式應被終止。除了對電壓檢測外，為了保護在電池損壞之前中斷快速充電模式，鎳氫電池和鎳鎘電池還以對電池溫度的檢測作為輔助保護方案。而點滴充電引起的電池溫升比較小，不會損壞電池，所以點滴充電的管理對鎳氫電池和鎳鎘電池則比較簡單，沒有必要終止點滴充電。允許的最大點滴充電電流與環境溫度有關，但C/15的充電速率相對于典型應用通常是安全的。

圖3應用電壓坡度充電

圖4 應用溫度曲線充電

圖5 應用電池電壓檢測
　　MAX713/MAX712是一種鎳鎘/鎳氫蓄電池快速充電控制器，它們的特性相似，差別在于MAX713 在檢測到dv/dt變為負值時，快充電模式應被終止；MAX712在檢測到 dv/dt變為零時，快充電模式應被終止。MAX713/MAX712能充電1到16節電池；具有線性或開關模式功率控制，對于線性模式功率控制，蓄電池充電時能同時給蓄電池的負載供電；具有根據電壓坡度、溫度或時間三種方式截止快速充電，并自動從快速充電轉到點滴式充電的功能；當不充電時在蓄電池上的最大漏電流為5mA。
MAX713/MAX712可以廣泛地應用到需要蓄電池提供功率的設備，如筆記本電腦、掌上電腦、手持終端、蜂窩電話和其它手提用戶設備等。

工作原理
　　在圖2中，PGM0和PGM1根據蓄電池的不同數目有不同的接法，如果電池數目和PGM0、PGM1的編程數目不符，將使決定快速充電的電壓坡度電路失效。根據BATT+、BATT-間的電壓和PGM0、PGM1編程的電池數目，可以算出每節電池的電壓。如果每節電池的電壓低于0.4V，只能點滴充電，直到每節電池的端壓大于0.4V，才開始快速充電。溫度比較器根據設定的溫度上限(THI)、下限(TLD)及當前溫度(TEMP)，發出冷或熱的信號給控制邏輯，控制邏輯決定快速充電還是點滴充電。PGM2和PGM3根據蓄電池的充電時間不同有不同的接法，從而決定了ΔV，并送給控制邏輯ΔV和充電時間。從V+端連接的POWER-ON-RESET電路可以檢測到外電源供電的開始，并將該信號送到控制邏輯。控制邏輯根據接收的所有信息，決定是否快速充電，如果快速充電，它還會送出相應信號到第8腳。
　　如圖3所示，供給外電源前蓄電池已插入。
　　在時間1，MAX713從蓄電池得到一微小的電壓。在時間2，外電源開始供電，從V+端連接電壓的POWER-ON-RESET電路可以檢測到供電溫度的開始。POWER-ON-RESET使MAX713保持在點滴充電的方式，直到每節電池端壓大于0.4V，然后開始快速充電。當電池電壓坡度為負時，快速充電結束，MAX713恢復到點滴充電。在時間5，外電源被去掉，此時芯片只從蓄電池獲取很小的電流。
　　如圖4所示，用溫度監測充電完成。剛開始電池太涼不能快充(如電池從寒冷的室外拿來)，當電池溫度升到合適的值(時間3)，開始快充。當電池的溫度超過THI，MAX713恢復到點滴充電(時間4)。
　　如圖5所示，將電池插入一個外電源供電(時間1)。從電池插入后即時間2開始快速充電，輸出電壓必須小于電池數乘以VLIMIT(VLIMIT=VREF)，一旦大于則轉到點滴式充電。如果電池被拿走(時間4)，輸出電壓恢復到和時間1時相同。

圖6線性模式的實驗電路原理圖

圖7 開關模式的實驗電路原理圖

圖8 輸入12V滿載時MOS管柵極波形
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應用
　　MAX713/MAX712有線性模式或開關模式的快速充電電路，線性模式能邊充電邊供電，而開關模式控制能降低能量損耗。直流輸入的電壓必須大于6V，并且必須比蓄電池的電壓高1.5V(開關式要高2V)，該高出的電壓是功率管、二極管和RSENSE上的壓降，滿足這個條件才能保證快速充電的終結。否則，電路將在快速充電和點滴充電之間震蕩，而不能完全截止快速充電。
　　線性模式
　　線性模式的實驗電路原理圖如圖6所示，充電波形如圖5所示。
　　DC輸入：10V到14.5V；蓄電池：2.4Ah ，共有5節，每節1.2V，充電時間264分鐘即4.4h，RSENSE=0.25V/ I充電 =0.25V/(2.4Ah/4.4h)≈0.5Ω，對于線性模式控制，功率PNP管和二極管上的最大的損耗為：P=(負載時最大輸入電壓-最小電池電壓)×充電電流=(14.5-6)V×0.54A=4.44W，熱損耗大，需加大面積的散熱片。MAX713的芯片功率損耗主要因為DRV腳上的電流、電壓，可通過加三極管來減小該損耗：P損耗=流入DRV的電流×DRV上電壓=50mA ×4V=200 mW。對于線性或開關模式設計，必須限制輸入到V+的電流為5mA到20mA，所以選擇R7=(最小輸入電壓-5V)/5mA=(10V-5V)/5mA=1kW。
　　圖6電路通過檢測BATT-和GND間的RSENSE電壓來控制DRV腳的輸出電平，從而控制BATT+和BATT-間的電流。在去掉電池只用MAX713供電時，需要較大電容，此時電容值的計算如下：
　　C=(50×ILOAD)/(VOUT ×BWVRL)=(50×0.54)/(8×10K)≈340mF
　　BWVRL—即環路增益，通常為10KHz
　　MAX 713內部模-數轉換器有2.5mV的分辨率，轉換時間為5ms，轉換間隔為21s到168s，根據不同的充電時間而不同。每兩次轉換的值進行比較，根據電壓變化率決定是否終止快速充電。
　　開關模式
　　當輸入電流大于1A或晶體管熱損耗很大時，應考慮開關模式，對于以上應用,考慮到功率管發熱嚴重，因此設計了開關模式的工作電路，如圖7所示。
　　采用開關模式后，電路功率損耗大大降低，去除了線性模式時大面積的散熱片設計，使電路體積及電路成本都降低了。開關模式下，空載和滿載時功率管的柵極驅動波形如圖8、圖9所示。
　　由于功率管采用的是P溝道場效應管，由圖8、圖9我們可以比較得出，滿載時占空比增大。

　　結語
　　從MAX713/MAX712的線性模式和開關模式兩種工作方式比較，可以看出大功率、大電流時采用開關模式工作很經濟實用。■

參考文獻
1 張占松. 開關電源的原理與設計 . 電子工業出版社, 1998
2 MAXIM, Nicd/NiMH battery Fast-Charge Controllers 1997
3 MAXIM.吳忠譯.電池充電器新發展摘自《電子產品世界》

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