詳細了解系統負載后再連接充電器

引言

隨著電子技術的迅猛發展，電池充電器作為一項傳統產業，正經歷著前所未有的變革并滲透到生活的各個領域，為了適應市場及電子設備科技發展的需要，智能充電器檢測系統應運而生，并且研究已經向高頻化、集成化、智能化和綠色化方向發展，智能充電器檢測系統也以其維護簡單、檢測效率高、擴展能力強和使用壽命長等特點，迅速成為各種電子充電設備檢測的首選。

系統在沒有電池的情況下依靠充電器工作正變得越來越普遍。這種情況可能會出現在正常應用或廠商的產品測試期間。圖 1 中，在任何瞬態或上電條件下都沒有電池電源為系統供電。如果設計不夠合理，則充電器就會在短路狀態下鎖閉。要想解決這些設計問題，我們必須充分理解充電器的輸出源規范和輸入系統負載要求。

圖 1 充電器電源和系統負載結構圖

無電池運行問題

人們通常認為鋰離子 (Li-Ion) 電池充電器是一種在穩定電壓下可以被控制的電流源。一般而言，這種器件都配有電池組，其起到一個能量儲存器(大容量電容)的作用，以通過電源瞬態持續為系統供電。如果系統負載超出源電流片刻，電池便會補充額外的電流。在沒有電池的情況下，如果系統負載電流超過了充電器的源電流，則系統電壓就會迅速下降。麻煩的是，充電器為一個三級電流源，即短路、預充電和快速充電。超過有效電流會導致系統電壓下降，并且還可能會使充電器進入預充電，然后轉入電流更少的短路階段。相反，如果負載電流低于充電器電流，則系統電壓上升，直到達到 4.2V 穩定電壓為止。最后，充電電流下降至與負載電流相等。

要想實現無電池工作，必須對充電器和系統進行設計，以使充電器能夠始終向系統提供要求的電流。要解決這個問題，充電器的 IV 特性必須要與系統負載 IV 特性相匹配。

充電器的輸出特性

充電器通常指的是一種將交流電轉換為低壓直流電的設備。充電器在各個領域用途廣泛，特別是在生活領域被廣泛用于手機、相機等等常見電器。充電器是采用電力電子半導體器件，將電壓和頻率固定不變的交流電變換為直流電的一種靜止變流裝置。在以蓄電池為工作電源或備用電源的用電場合，充電器具有廣泛的應用前景。充電器有很多，如鉛酸蓄電池充電器、閥控密封鉛酸蓄電池的測試與監測、鎘鎳電池充電器、鎳氫電池充電器、鋰離子電池充電器、便攜式電子設備鋰離子電池充電器、鋰離子電池保護電路多功能充電器、電動車蓄電池充電器、車充等。

我們將討論一種鋰離子電池充電器，這是由于它具有幾個充電階段，而這些我們已經討論過的概念可以被輕松地應用到其他充電器化學技術中去。圖 2 顯示的是其與充電器輸出電壓 VSYS 相關聯時充電器的電流情況。如果沒有電池并且充電器沒有通電，則初始電壓為 0V.當向充電器加電時，由于輸入與輸出之間存在內部上拉電阻(~500 Ohms)，充電器的輸出電壓開始上升。短路模式低于 1 伏，其設計目的是最小化 OUT 引腳短路期間的功耗。

一旦高于短路閾值 (0.8~1.4V)，充電器便會進入預充電模式。預充電對深度放電的電池進行恢復，或決定該電池組是否受到破壞以及是否需要終止充電。預充電電流約為快速充電電流的 1/10,但是某些充電器可以單獨編程控制這一水平。預充電模式在 ~3V 時轉為快速充電恒定電流，這時便獲得了編程控制快速充電恒定電流。充電器決不會提供比這種編程控制電流電平更多的電流。電壓在 4.2V 時達到恒定電壓模式后，輸出得到調節，并且能夠提供達到編程控制電流電平的電流。如果負載電流降至終止閾值，則充電終止，除非終止功能失效。

圖 2 鋰離子充電概述——充電電流和電壓輸出

表 1 列出了每一個階段的電流。

充電器模式 典型的電壓范圍 可用電流 等效功率

短路模式 0~1.0 V 500 ohms 或 ~8mA 8 mW

預充電模式 1~3 V 100 mA 100~300 mW

快速充電模式 3~4.2 V 1000 mA 3~4.2 W

既然我們知道有多少電流來自充電器，那么就需要一個系統負載分析來確認設計是否適合無電池運行。

系統負載特性

電阻性負載會吸收電流，該電流與施加的電壓成比例關系，并且可出現在上電階段。在無電池上電時，低于 125 Ohms (ISINK = 1V/125 Ohms = 8mA) 的電阻可以阻止充電器退出短路模式。

一般而言，一個 DC/DC 降壓轉換器在其輸入電壓接近其調節輸出電壓時才被啟用。由于轉換器的輸出電壓固定，因此其負載通常恒定不變，這樣其輸入電流便與其電壓成反比關系。圖 3 中的兩條曲線顯示了流入一個 1.8V 和 3.3V DC/DC 轉換器的輸入電流與輸入電壓之間的對比關系。您可以看到，電壓上升則電流下降，反之亦然。