为便携式产品提供高性能的电池充电器

2006-05-07 15:49:49来源: 电子产品世界


    笔记本电脑等便携式产品对电池的体积、重量及电池的寿命都有严格的要求,其电池标准配置是Li+电池。最近,锂聚合物电池也成为其发展方向之一,这类电池可以根据需要做成各种不同的复杂形状,可广泛应用于手机,手持PC以及各种小型手持产品中。由于锂聚合物电池与Li+电池的化学特性相似,因此,它们的充电方式几乎相同,主要差别仅在于终止充电电压及充电电流不一样。

    对Li+电池,传统的充电方法是采用恒流,恒压充电法。恒流充电法应用于电池充电初始阶段,此时电池电压较低。当电池电压逐渐升高到达预定的限制电平时,充电器则由恒流方式转为恒压充电方式,直到充电电流减小至接近于零时才终止充电过程,保证电池被完全充满电。在恒压充电过程中,充电电流由于电池内阻及串联寄生电阻作用,以指数函数曲线逐渐减小,类似于通过电阻对电容器充电过程。由于是以指数函数方式下降,因此一个完全的满充电过程需要很长时间才能完成。由于电池充电过程中具有电压限制保护,因此恒流充电并不需要精确的充电电流,反而对限制电压的精度要求很高,高于1%的精度,这是因为:电池电压越高,其储存的能量越多,过高的电压将导致电池损坏。电池即使在恒流充电时以很大的电流充电(大于1C,C是电池容量,以安-时数表示),对缩短电池充电时间改善也不大,这是因为,受电池物理,化学特性限制,恒压充电过程占电池充电过程绝大部分时间,而恒流过程仅占小部分。

    采用线性充电器是Li+电池充电方式之一,如图1所示,输入电源通常采用直流电源或交流适配器,利用IC1驱动外部PNP管产生充电所需要的电压和电流。而电路中的PIC单片机则通过其PWM输出不同,实现对充电电压和电流的控制。通过编程控制可产生各种不同的输出电压和电流,因此该电路可实现对各种不同化学特性的电池充电。在许多系统中,利用系统已有的微控制器PWM输出端可实现对充电器的程控。如果充电器专为某一种电池而设计,通过改变外部电阻控制充电电压和电流,充电电路可进一步得到简化。

    虽然线性充电器电路简便,体积也不大,但其功率消耗较大。考虑到单节Li+电池的电压范围为:2.7V~4.2V,为了保证4.2V时对电池充电,输入直流源的电压必须大于4.5V,因此采用具有10%容余度的、廉价的交流适配器时,其输出电压范围应该在4.5V~5.5V之间。充电器PNP管消耗最大功率的情况出现在:输入电压最高(5.5V)且电池电压最低(2.7V)时。考虑典型的充电电流:1A(10%,则PNP管消耗的最大功率为:(5.5-2.7)X1.1>3W。3W的功耗在手机、PDA等手持终端内部引起的温升效应相当可观,有可能造成系统不能正常工作。

    当必须采用内置充电结构时,只有采用开关模式充电器解决效率问题(见图2),图中的IC利用外部两只功率MOSFET管对源电压进行斩波,然后通过滤波电路处理得到电池充电所需要的电流和电压。这些MOSFET管的作用就如同开关一样,要么导通,要么断开。导通时,充电电流在MOSFET上产生的压差很小;断开时,MOSFET承受大的压差但电流为零,因此功率器件上消耗的功耗很小:P=VxI,且受输入电压,充电电压,电流变化影响不大。利用图2电路,可以在很宽的输入电压、 充电电压、充电电流范围内获得很高的转换效率(>90%),其代价是电路比较复杂,体积较大,成本较高。

    图3是一种新的恒流脉冲电池充电方法,它结合了直流和开关充电方式的优点,利用外部限流型交流适配器限制充电电流。该交流适配器被切换到电池,进行恒流充电。当电池电压上升到限制电压时,该电流源以脉冲方式接通到电池,其平均电流就是电池所需充电电流,电池电压不会过压。该方式产生的功耗很低,因为工作原理类似于开关电源,要么接通,要么断开,而且电路简单,如同线性充电器,无须输出滤波电路。虽然外部交流适配器有可能消耗较大功率(与外部适配器工作方式有关),但如果不超出容许的最高安全温度范围,它不会对电池和便携式设备带来任何不利影响。

    图3中的PMOS管实现对限流源与电池的通断,由于电路中的充电器芯片采用了微型的uMAX封装,而外部PMOS管采用SOT-23封装,因此该电路比图2电路简单,体积小。除了MAX1679和PMOS外,仅需两个电容和一个电阻即可构成一个完整的Li+电池充电器。(可调电阻,LED,肖特基二极管及热敏电阻均为可选择器件)。MAX1679还具有一定的电池保护功能,如果对过放电电池(低于2.5V)快速充电,将缩短电池寿命。MAX1679在进行充电之前检测电池电压,根据需要,利用内部5mA的电流源对电池进行预充电,把电池电压提升到2.5V,然后再启动快速充电过程。MAX1679另一功能是通过外部连接的热敏电阻对温度检测。对于Li+电池,如果充电时温度超过0~50(C范围,将影响电池寿命。一旦MAX1679检测到电池温度超出容许范围,则终止电池充电,直到电池温度恢复到正常范围时才开始充电。为了指示充电过程,MAX1679还包括一充电过程监测输出端,利用它驱动外部LED,反映充电过程。

    随着便携式产品体积越来越小,电路越来越复杂,对电池充电器提出了更严格的要求,充电器是保证最大限度利用电池容量的关键。通过把功率消耗转移到便携式设备外部、远离电池,可改善便携产品的性能,减小电池压力。虽然传统的线性和开关充电方式仍然具有一定市场,但限流型脉冲式充电器减小了便携式产品体积,改善了其性能,因而具有更广阔的应用范围。

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/power/200605/2153.html
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