如何克服電池電壓瞬態(tài)效應(yīng)和變化

我們都經(jīng)歷過這樣的情形，當(dāng)需要使用一個電子設(shè)備時，發(fā)現(xiàn)設(shè)備的電池已經(jīng)沒電了。在很多年間，我們的便攜式電子設(shè)備受到了電池壽命和尺寸的限制。隨著鋰離子電池成本的持續(xù)走低，以及電荷密度的不斷增加，運(yùn)行時間更長，更加令人興奮的電子設(shè)備將大量涌現(xiàn)。由于應(yīng)用開始向著使用多節(jié)電池組的方向發(fā)展，設(shè)計(jì)人員將在克服電池電壓瞬態(tài)效應(yīng)和變化的同時，面臨著將較高電壓轉(zhuǎn)換為緊湊電子電路可用電壓的問題。

這些示例包括無人機(jī)、吸塵器機(jī)器人、電動工具、以及電動自行車等。開發(fā)人員傾向于使用電壓更高電池組來增加充電之間的電池續(xù)航能力。目前，無人機(jī)的飛行時間被限制在大約25分鐘，而電動自行車單次充電后的最大行駛里程可以達(dá)到50英里。電池使用壽命將隨著更小巧、更高電壓電池的使用而增加。

所有這些應(yīng)用的一個共性就是電機(jī)，它會對電源電壓產(chǎn)生有害的瞬態(tài)效應(yīng)，諸如電機(jī)反沖和可以高達(dá)輸入電壓兩倍的電感尖峰脈沖。如果未相應(yīng)地設(shè)定輸入電壓額定值，那么這些較高的電壓會損壞系統(tǒng)電源解決方案，以及其它內(nèi)部電路。如果電機(jī)突然停止或減速，一個負(fù)電流會被泵入電源，從而導(dǎo)致電源電壓增加。在下面的圖中，通道1顯示的是電源電流、通道2顯示的是電源電壓，而通道3顯示的為電機(jī)速度。

圖1：由于電機(jī)減速而導(dǎo)致的電源泵入。

當(dāng)電機(jī)減速時，電源電壓大幅下降。如果電池的DC/DC轉(zhuǎn)換器未被額定在較高的電壓下運(yùn)行，這將損壞系統(tǒng)電源解決方案，并有可能對下游元件造成損壞。

在設(shè)計(jì)一個系統(tǒng)時，選擇一個支持寬輸入電壓范圍的DC/DC轉(zhuǎn)換器可以最大限度地減少，通常情況下是免除了對于外部瞬態(tài)保護(hù)電路的需要。這不但簡化了設(shè)計(jì)，而且極大地減小了解決方案尺寸。使用DC/DC轉(zhuǎn)換器，能使運(yùn)行電壓較高的系統(tǒng)可以耐受電源電壓的增加，并保持輸出上的電壓穩(wěn)壓。TI的LM5000系列器件具有針對高達(dá)42V/65V電壓的輸入電壓額定值，非常適合于處理12V/24V系統(tǒng)內(nèi)的瞬態(tài)。例如，LM5007和LM25011非常適合于保護(hù)系統(tǒng)不受電源電壓短時增加的影響，而這種情況在這些系統(tǒng)中經(jīng)常發(fā)生。對于電壓更高的24V/48V輸入總線，諸如LM5116的100V同步降壓控制器能夠處理這些系統(tǒng)中最差的瞬態(tài)情況。具有寬輸入電壓范圍的控制器和轉(zhuǎn)換器為高壓電池組應(yīng)用提供了非常不錯的解決方案，并且保護(hù)系統(tǒng)不受瞬態(tài)效應(yīng)的影響，以使器件能夠在這些條件下保持運(yùn)行。

圖2中顯示的是一個電池組電源設(shè)計(jì)的簡化方框圖。

圖2：高壓電池組系方框圖。

在你打算創(chuàng)建最新的、最棒的便攜式或自主電子設(shè)備時，考慮會出現(xiàn)的最差系統(tǒng)瞬態(tài)效應(yīng)，并選擇一個能夠保護(hù)下游電路的寬VIN DC/DC器件。