優(yōu)化充電器設(shè)計的三款電路方案

親愛的，我的充電器在哪里？就目前而言，這可能是生活中最常見的問題了。世紀之交，電池（尤其是基于鋰離子的電池）成本的降低和性能的提高，推動了電池供電的儲能和便攜式設(shè)備的穩(wěn)步增長。此外，超級電容器由于具有獨特的性質(zhì)，也越來越多地用于各種應(yīng)用。

鉛酸電池是一項已有150年歷史的技術(shù)，至今仍廣泛用于汽車、輪椅、踏板車、高爾夫球車和不間斷電源(UPS)系統(tǒng)。一旦能量耗盡，這些儲能設(shè)備必須重新充電。2019年，全球充電IC出貨量為11.6億顆，預(yù)計2024年將增長至17.2億顆，年增長率為 8.6%，相當健康。收入分別為5181億美元和7354億美元，復(fù)合年增長率為7.3%。圖1顯示了這一趨勢，其來自O(shè)MDIA的“電源IC市場跟蹤 - 2019年”。

圖1.全球充電IC市場

對更多電力、更長續(xù)航里程或運行時間的需求，要求提高儲能設(shè)備使用的電壓。例如，機器人、無人機、電動工具和許多其他事物中使用的鋰離子電池堆已經(jīng)從一兩個電池單元增加到多個（最多12個）電池單元。一個12芯鋰離子電池堆可提供最大50.4 V的電壓。在相同電流額定值下，12芯電池的續(xù)航時間是1芯電池的12倍。或者，可以將12節(jié)電池并聯(lián)以獲得更高的功率，但這種方法會使電流增加12倍。更高的電流會導(dǎo)致更多的傳導(dǎo)損耗，因此不宜采用并聯(lián)電池。

帶備用電池的應(yīng)急照明、UPS備用電源、HVAC等工業(yè)系統(tǒng)使用24 VDC電源，即使用24 V電池來為這些系統(tǒng)提供備用電源。然而，根據(jù)IEC 61131-2和IEC 60664-1標準，24 VDC電源在瞬態(tài)條件下可升至60 V峰值電壓。

在任何一種情況下，設(shè)備都要求充電器解決方案能夠適應(yīng)更高電池電壓，并能承受瞬態(tài)事件期間的更高輸入電壓。

充電器基礎(chǔ)知識

充電器有許多拓撲結(jié)構(gòu)。線性充電器通過功率開關(guān)降低電源和電池之間的電壓差。此類充電器效率最低，因為當電源和電池之間的電壓差很大時，功率開關(guān)會消耗大量功率。升壓充電器將來自電源的電壓升壓到電池電壓。這種拓撲結(jié)構(gòu)要求電源電壓低于電池電壓。降壓充電器對來自電源的電壓進行降壓，并要求電源電壓高于電池電壓。升壓-降壓充電器可以使用高于或低于電池電壓的電源電壓為電池充電。這種拓撲結(jié)構(gòu)需要四個功率開關(guān)（降壓拓撲只需要兩個），而且效率一般不高。

同步整流降壓充電器效率最高，是本文的重點。圖2顯示了一個通用同步整流降壓充電器電路。如今，大多數(shù)降壓充電器都在相對較低的電壓下運行。許多充電器的額定輸入電壓僅為28 V，有些為40 V。如果允許±10%的輸入電壓調(diào)節(jié)和2 V的降壓充電器壓降，那么額定值28 V的充電器實際上只能為5S鋰離子電池堆（最大）充電。我們將研究一個新的60 V輸入充電器IC系列，它支持更高充電電壓——電池電壓高達52 V（或12芯鋰離子電池堆），并且可以承受65 V的輸入電壓瞬變。

圖2.通用同步整流降壓充電器

充電器的待機電流應(yīng)很低以節(jié)省能源。Energy Star規(guī)定待機功耗為30 mW或更少的手機充電器和其他小型充電器為五星。一星適用于待機功耗為300 mW或更高的充電器，其他星級適用于介于兩者之間的其他充電器。Energy Star旨在降低個人充電器的功耗，這些充電器在不使用時大多也不會拔下來。在任何特定時間，全球有超過10億個此類充電器連接到電網(wǎng)。

盡管鉛酸電池、鋰離子電池和超級電容器都是儲能設(shè)備，但它們的充電/放電特性明顯不同。我們將考察這些特性，并討論每個特性的充電解決方案。一個好的電池充電器可提供良好的電池性能和耐用性，尤其是在不利條件下充電時。

鉛酸電池充電器

鉛酸電池是現(xiàn)存最古老的可充電電池，1859年由法國醫(yī)生Gaston Planté發(fā)明。一百五十年后，它仍然廣泛用于汽車、輪椅、踏板車、電動自行車、高爾夫球車和UPS系統(tǒng)。

鉛酸電池必須緩慢充電。典型充電時間為8到16小時。電池必須始終以充電狀態(tài)存儲，定期進行完全飽和充電對于防止硫酸鹽化至關(guān)重要。通常的做法是在大約8小時內(nèi)將鉛酸電池充電至70%，然后再用8小時進行最重要的補足充電。如果鉛酸電池不時接受完全飽和充電以防止硫酸鹽化，則部分充電也沒問題。讓電池長時間處于浮動充電狀態(tài)不會造成損壞。

找到理想的充電電壓限值至關(guān)重要。高電壓（高于2.45 V/單元）可產(chǎn)生良好的電池性能，但由于正極板上的板柵腐蝕，電池使用壽命會縮短。低電壓限值會造成負極板硫酸鹽化。溫度也會影響電池電壓，溫度系數(shù)典型值為–5 mV/°C（每10°F每電池單元0.028 V）。好的充電器必須補償此溫度系數(shù)，以避免電池在高溫時過度充電或在低溫時充電不足。

例如， MAX17702 （參見圖3）是一款完整的鉛酸電池充電器控制器，設(shè)計支持4.5 V至60 V的輸入電壓范圍。該器件提供高效率（超過97%）、高電壓、同步降壓解決方案，可為12 V/24 V/48 V鉛酸電池組充電。圖4a和4b顯示了其充電周期和充電效率。

圖3.高壓鉛酸電池充電器控制器

圖4a.MAX17702鉛酸充電周期

圖4b.MAX17702充電效率

鉛酸電池能量密度低，不適合便攜式設(shè)備。便攜式設(shè)備需要鋰電池。

鋰離子電池充電器

由于重量輕和高能量密度，鋰離子電池是普遍接受的用于便攜式應(yīng)用、重工業(yè)、電驅(qū)動和衛(wèi)星的電池。

鋰離子電池的維護工作量很少。這種電池沒有記憶效應(yīng)，不需要故意完全放電就能保持良好狀態(tài)。但它需要保護電路，電池堆內(nèi)部和充電器均需要，以防止短路、過充、熱失控和過度放電。鋰離子電池如果在1.5 V/單元以下保持一周或更長時間，就可能產(chǎn)生枝狀晶體，影響安全性。

為防止過度放電，內(nèi)置電池保護電路將電池置于睡眠狀態(tài)。當電池在放電狀態(tài)下儲存，自放電使電壓降至截止點時，就會發(fā)生上述情況。常規(guī)充電器將這樣的電池視為無法使用，電池包通常被丟棄。高級鋰離子充電器具有喚醒特性或“預(yù)充電”功能，可以對由于過度放電而進入睡眠狀態(tài)的鋰離子電池充電。在預(yù)充電模式中，充電器應(yīng)用很小的充電電流以將電壓安全提升到2.2 V/單元與2.9 V/單元之間，從而激活保護電路，然后開始正常充電。

在正常充電期間，鋰離子充電器以恒流恒壓(CCCV)模式運行。充電電流是恒定的，電壓達到設(shè)定限值時便不再上升。達到電壓限值時，電池飽和，電流下降到電池不能再接受進一步的充電為止，此時充電終止。每個電池都有自己的低電流閾值。

鋰離子電池在充電時應(yīng)始終保持涼爽。鋰離子電池不能吸收過多電荷。因此，監(jiān)控電池溫度及其充電電壓以確保電池健康和安全非常重要。良好的充電器必須包含這些特性。

圖5給出了高級鋰離子電池充電器的例子。MAX17703 是一款高效率、高電壓、同步、降壓充電器控制器，設(shè)計支持4.5 V至60 V的寬輸入電壓范圍。該器件為最多12芯鋰離子電池堆提供了完整的充電解決方案。

圖5.高級高電壓鋰離子電池充電器電路

該器件分別為±4％和±1％時提供精確的CCCV充電電流/電壓。當充電電流減小到收尾電流閾值時，充電器進入補充充電狀態(tài)；收尾定時器周期結(jié)束后，充電器退出充電狀態(tài)。當輸出電壓低于充電閾值電壓時，充電器啟動充電周期。這是一個很棒的特性，可以讓長時間留在充電座上的電池保持滿電狀態(tài)，而不會消耗太多電力，并且符合Energy Star要求。該器件可以檢測和預(yù)處理深度放電電池，利用預(yù)充電特性將其喚醒。為了提供更多保護，該器件會檢測電池溫度，使得充電只能在規(guī)定溫度范圍內(nèi)進行。它還有一個輸入短路保護特性，用于在輸入意外短路時防止電池放電。圖6顯示了MAX17703的充電周期。

圖6.MAX17703鋰離子電池充電周期

超級電容充電器

超級電容器相比電池有一些獨特的優(yōu)勢，因此越來越多地用于各種應(yīng)用。超級電容器依據(jù)靜電原理工作，沒有化學(xué)反應(yīng)，避免了與電池化學(xué)存儲相關(guān)的壽命問題。其高耐用性允許數(shù)百萬次的充/放電循環(huán)，使用壽命長達20年，比電池高出一個數(shù)量級。其低阻抗支持快速充電和放電，幾秒鐘便可完成。另外，它還有適度的長時間保持電荷的能力，這一切使超級電容器非常適合需要快速充放電循環(huán)的應(yīng)用。超級電容器還能與電池并聯(lián)使用，從而支持負載轉(zhuǎn)換期間需要瞬時峰值功率傳輸?shù)膽?yīng)用。

超級電容器的快速充放電循環(huán)要求充電器能夠處理大電流，在充電過程中以恒流(CC)模式平穩(wěn)工作，充電可能從0 V開始，一旦達到最終輸出值，則以恒壓(CV)模式工作。在高電壓應(yīng)用中，許多超級電容器串聯(lián)在一起，需要充電器來管理高輸入和輸出電壓。

MAX17701?（參見圖7）是一款高效率、高電壓、同步、降壓超級電容充電器控制器，專為大電流充電而設(shè)計，可在4.5 V至60 V的輸入電壓范圍(VDCIN)內(nèi)工作。輸出電壓可編程，范圍為1.25 V至(VDCIN–4 V)。該器件利用外部N-MOSFET提供輸入電源側(cè)“邏輯或”功能，防止超級電容器放電回到輸入端。圖8顯示了簡單但電流很高的充電曲線。

圖7.高電壓、大電流超級電容充電器

圖8.MAX17701超級電容充電曲線

結(jié)論

電池供電的儲能和便攜式設(shè)備的使用穩(wěn)步增長。對更多電力、更長續(xù)航里程或運行時間的需求，要求提高電池堆使用的電壓。在使用24 VDC電源的工業(yè)系統(tǒng)應(yīng)用中，瞬態(tài)條件下可以看到60 V峰值電壓。傳統(tǒng)充電器解決方案大多以28 V輸入為限。得益于高電壓同步降壓充電拓撲結(jié)構(gòu)，ADI公司的新型充電器解決方案可實現(xiàn)更高的電池堆電壓和充電效率。

鉛酸電池、鋰基電池和超級電容器都是儲能設(shè)備，具有非常不同的充電/放電特性，需要專用充電器才能獲得最優(yōu)充電解決方案。高級電池充電器還提供充分的保護以保障電池性能和耐用性，尤其是在不利條件下充電時。這些在較新的充電器解決方案中也得到解決。

審核編輯：黃飛

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