開關與線性

　　USB 2.0規(guī)范允許低功率端口提供最大100mA電流，大功率端口提供最大500mA電流。如果采用線性調整器件來調節(jié)電池充電電流，這也就是最大可提供的充電電流。線性調整器件(圖4)的功耗為P = VQ x IBATT。這會造成調整管發(fā)熱，可能需要安裝散熱器，以防止過熱。


圖4. 功耗等于電池充電電流乘以調整管兩端的電壓。

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(jié)電池充電時，線性充電器的效率僅為30%；對兩節(jié)電池充電時，效率為60%。用500mA電流對單節(jié)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(huán)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(xié)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(jié)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(fā)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(jié)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(jié)器采用非同步整流的buck轉換器，具有77%效率。

電路實例

　　圖7所示電路是用于單節(jié)NiMH電池充電的開關模式降壓型調節(jié)器。它采用DS2712充電控制器調節(jié)充電電流和終止充電。充電控制器監(jiān)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(jié)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(xù)流或整流二極管。輸入電容C1為 10µF、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(jié)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(huán)、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(huán)控制。圖8所示為啟動開關時的波形。上方波形是0.125ohm; (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?yōu)楦唠娖?，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(xù)。