電池充電新方法——USB
加入技術交流群
對應5V標稱輸入電壓，調整器件消耗的功率與電池類型、數量和電池電壓有關。
圖5. 采用5.0V電壓的USB端口對NiMH電池充電時，線性調整器件的功耗
標稱輸入電壓為5.0V時，線性USB充電器對NiMH電池充電的功耗計算結果如圖5所示。對單節電池充電時，線性充電器的效率僅為30%；對兩節電池充電時，效率為60%。用500mA電流對單節電池充電時，功耗會高達2W。這樣的功耗通常需要加散熱器。功耗為2W時，熱阻為+20°C/W的散熱器在+25°C環境溫度下會被加熱至大約+65°C，要得到滿額性能，還需要有流動空氣來協助其散熱。處于空氣靜止的封閉空間內，溫度會更高。
采用基于開關調節器的充電器可解決多個問題。首先，與線性充電器相比，能夠以更快的速率、更大的電流對電池進行充電（圖6）。由于功耗較低、發熱較少，熱管理方面的問題也減少了。同時，由于運行溫度降低，充電器更加可靠。
圖6. 對單節NiMH電池充電時，線性充電器和開關充電器的充電時間不同
圖6中的計算結果基于以下條件和假設得到：采用高功率USB口最大允許電流（500mA）的大約90%充電；開關調節器采用非同步整流的buck轉換器，具有77%效率。
2.4 電路實例
圖7所示電路是用于單節NiMH電池充電的開關模式降壓型調節器。它采用DS2712充電控制器調節充電電流和終止充電。充電控制器監視溫度、電池電壓和電池電流。如果溫度超過+45°C或者低于0°C，控制器不會對電池充電。
圖7. USB端口對單節NiMH電池快速充電的原理圖
如圖7所示，Q1是降壓型充電器的開關功率晶體管；L1是濾波電感；D1是續流或整流二極管。輸入電容C1為10?F、超低ESR的陶瓷濾波電容。用鉭電容或者其它電解電容替代C1會使充電器的性能降低。R7是電流調節器檢測放大器的檢流電阻。DS2712的基準電壓為0.125V，并具有24mV滯回。通過CSOUT提供閉環、開關模式電流控制。充電控制引腳CC1將Q2的柵極拉低時，使能Q1的柵極驅動。Q1和Q2均為低Vt （柵-源門限電壓）的pMOSFET。CC1和CSOUT均為低電平時，Q2的漏-源電壓將稍大于Vt。該電壓以及CSOUT的正向壓降構成了Q1的柵極開關電壓。CC1為低電平時，啟動電流閉環控制。圖8所示為啟動開關時的波形。上方波形是0.125Ω （檢流電阻兩端的電壓，下方波形是Q1漏極至GND的電壓。開始時，當Q1打開（CC1和CSOUT均為低電平）時，電感電流向上爬升。當電流增大到使檢流電阻兩端的電壓達到0.125V時，CSOUT變為高電平，開關關斷。此后，電感電流開始下降，直到檢流電阻兩端的電壓達到約0.1V，CSOUT又變為低電平。只要CC1為低電平，該過程將一直持續。
圖8. USB NiMH充電器的啟動波形
DS2712的內部狀態機控制著CC1的工作。充電開始時，DS2712先對電池進行狀態測試，以確保電池電壓在1.0V至1.65V之間，并確認溫度在0°C至+45°C之間。如果電壓低于1.0V，DS2712將以0.125的占空比拉低CC1，對電池緩慢充電，以防損壞電池。一旦電池電壓超過1.0V后，狀態機轉為快充模式。快充時占空比為31/32，即大約97%。“跳過”的間隙內進行電池阻抗測試，以確保不會對錯誤放入充電器的高阻抗電池（例如堿性電池）進行充電。檢測到-2mV的-ΔV后，快充結束。如果未檢測到-ΔV，將持續快充，直到快充定時器超時，或檢測到過溫或者過壓故障狀態（包括阻抗不合格）為止。快充完成（由于-ΔV或快充定時器超時） 后，DS2712進入定時補足充電模式，占空比為12.5%，持續時間為所設快充定時的一半。補足充電完成后，充電器進入維持模式，占空比為1/64，直到電池被拿走或重新上電。
采用圖7所示充電器和大功率USB端口對2100mAh NiMH電池充電時，快充時間為2小時多一點，大約3個小時完成包括補足充電在內的全部充電過程。從端口吸取的電流為420mA。如果需要與主機進行枚舉過程，并需要大電流使能操作，可在R9和地之間串聯一個開漏極nMOSFET。如果MOSFET關斷，則TMR浮空，DS2712進入掛起狀態。
3 總結
對于小型消費類電子設備的電池充電而言，USB端口是一個經濟、實用的電源。為完全符合USB 2.0規范，連接在USB端口上的負載必須能夠與主機進行雙向通信。負載也必須符合電源管理要求，包括低功耗模式，以及便于主機確定何時需要從端口吸取大電流的手段。盡管部分兼容的系統能夠適應大部分USB主機，但有時會出現意想不到的結果。只有很好地理解USB規范要求和負載的期望，才能在對于規范的兼容性與負載復雜度之間取得較好的平衡。
評論