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          便攜式儀器需要高性能充電器

          作者: 時(shí)間:2001-09-11 來源: 收藏

          近幾年來,電池技術(shù)有了長足的發(fā)展,其中鋰離子和鋰聚合物電池最為流行。為了使這些電池獲得最佳性能,充電器技術(shù)必須跟上電池技術(shù)的發(fā)展。

          本文引用地址:http://cafeforensic.com/article/2969.htm

          筆記本電腦所使用的電池,無論大小、重量還是壽命都很關(guān)鍵。由于鋰離子和鋰聚合物相似,所以它們的充電方式幾乎相同,主要區(qū)別在于端電壓和充電電流。

          鋰離子電池的傳統(tǒng)充電方式是采用恒流和恒壓。當(dāng)電池的電壓較低時(shí),典型的充電周期開始是用恒流充電方式。當(dāng)電池電壓上升到指定限度時(shí),充電器轉(zhuǎn)為恒壓充電,該方式一直持續(xù)到充電電流減小為零,這時(shí)電池充電完畢。在恒壓充電階段,電流按指數(shù)規(guī)律下降,該指數(shù)與電池電阻以及和該電池相串連的所有電阻有關(guān)(和通過一電阻對(duì)電容充電的過程很類似)。由于充電電流按指數(shù)規(guī)律下降,所以完成充電需要相當(dāng)長的時(shí)間。

          對(duì)充電電流的限制不必象對(duì)充電電壓那樣準(zhǔn)確。對(duì)電壓的限制非常關(guān)鍵:電池的電壓越高,所儲(chǔ)存的能量就越多。但是,過高的電壓會(huì)損壞電池。因此,加在普通鋰離子充電器上的電壓,上下浮動(dòng)最好不要超過1%

          即使當(dāng)以很大的恒流充電(超過1C,其中C是用Ahrs衡量的電池容量),由于恒流充電的時(shí)間與整個(gè)充電過程相比是很短的,因此,增加充電電流對(duì)整體充電時(shí)間幾乎沒有影響。而主要由電池的物理特性決定的恒壓充電方式,則占用了大部分的充電時(shí)間。

          鋰離子電池的一種充電方式就是利用線性充電器(如圖1所示),一般情況下,該充電器的充電電壓或電流來自于交流適配器的直流輸出??刂破?/font>(IC1)驅(qū)動(dòng)外部PNP型晶體管以產(chǎn)生充電電壓和充電電流。在該電路中,PIC控制器(IC2)通過其PWM輸出來控制充電電流和充電電壓。改變充電電流和電壓,該控制器可以適用于不同類型的電池和化學(xué)物質(zhì)。在很多系統(tǒng)中,控制器上的PWM其它輸出可用來調(diào)節(jié)充電器。如果充電器僅設(shè)為適合于某一種電池類型,通過外部電阻調(diào)節(jié)充電電壓和充電電流這一方式,可以進(jìn)一步簡化電池的設(shè)計(jì)。

          線性充電器相對(duì)較小并且簡單,但卻具有較高功耗的缺點(diǎn)。如果一個(gè)典型的鋰離子電池的電壓范圍為2.74.2V,為確保充足的輸入電壓,使蓄電池的電壓達(dá)到4.2V,則源電壓必須超過4.5V。因此,一個(gè)典型廉價(jià)的、輸出電壓波動(dòng)為10%的交流適配器,其輸出電壓的范圍必須為4.55.5V。在輸入電壓最大和電池電壓最小的時(shí)候,PNP型導(dǎo)通晶體管所產(chǎn)生的損耗最大。對(duì)于一個(gè)典型的波動(dòng)為10%1A充電電流,充電器的功耗可能超過3W

          如果這3W功率耗散在一個(gè)小型、便攜式設(shè)備內(nèi),如手機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理(PDA)等,則能造成相當(dāng)大的溫度上升。這可能會(huì)給電子設(shè)備、終端用戶帶來不利的影響??梢圆捎猛獠砍潆娖骰蛑Ъ軄頊p少功耗,但是這些措施也許不切實(shí)際。在這種情況下,開關(guān)模式的充電器提供了有效的解決方法(參見圖2)。

          2 中的IC采用兩個(gè)外置的N溝道MOSFET場效應(yīng)管對(duì)源電壓進(jìn)行斬波,然后將斬波后的電壓進(jìn)行濾波,產(chǎn)生所需要的充電電流或電壓。這些MOSFET場效應(yīng)管的調(diào)整元件相當(dāng)于開關(guān)。當(dāng)該元件處于狀態(tài),電流通過時(shí)有很小的壓降;當(dāng)處于關(guān)狀態(tài)時(shí),沒有電流通過。這一作用大大減小了傳輸晶體管的功耗(與線性充電器的功耗相比);并且當(dāng)源電壓、電池電壓和充電電流發(fā)生變化時(shí),功耗幾乎沒有變化。

          該電路具備較高的效能(在大部分的工作范圍內(nèi)高達(dá)90%以上),在很大的源電壓、電池電壓和充電電流范圍內(nèi)產(chǎn)生較少的功耗。開關(guān)模式充電器的功耗降低是以增加尺寸和復(fù)雜程度為代價(jià)換取的。

          恒流脈沖充電是鋰離子電池一種全新的充電方式,具有線性充電器和開關(guān)模式充電器兩者的優(yōu)點(diǎn)。該方式采用限流交流適配器,限制充電電流的大小。當(dāng)電池電壓達(dá)到規(guī)定的電壓限額時(shí),電流源在“開”、“關(guān)”兩狀態(tài)間切換,從而給蓄電池提供所需的平均電流,而不會(huì)超過電壓值。這種狀態(tài)間切換,如同開關(guān)模式充電器,所以功耗很小。而且,由于不需要輸出濾波器,所以該電路和線性充電器一樣簡單。在限流模式下(取決于所使用的交流適配器),功耗可能會(huì)增加;但是如果溫度不超過最大安全值,就不會(huì)對(duì)電池和負(fù)載造成不良影響。

          采用限流適配器的充電器其電路中P溝道MOS場效應(yīng)管(參見圖3)將適配器電流接入電池。由于IC在1mMax封裝內(nèi),并且外置MOSFET封裝能夠做到和SOT-23一樣小,所以該電路與開關(guān)模式充電器相比簡單得多。用兩個(gè)電容、一個(gè)電阻、MAX1679和一個(gè)外置的MOSFET就可以制作一個(gè)完整的充電器(其中RADJ、LED發(fā)光二極管、肖特基和熱敏電阻都是可選器件)。

          該器件的其它特性避免了可能減少蓄電池使用壽命的因素。當(dāng)電池過度放電(<2.5V/cell)后,快速充電就會(huì)減小其使用壽命。在充電以前,MAX1670將監(jiān)測電池電壓。必要的情況下,先用內(nèi)部5mA的電流源將電池充電至2.5V以上,然后再進(jìn)行恒流充電。另一個(gè)輸入端子與熱敏電阻相連,用來檢測電池的溫度。如果鋰離子電池在可接受的溫度范圍(通常在0~50℃)以外充電,則電池的使用壽命就會(huì)變短。當(dāng)檢測到不可接受的溫度時(shí),停止充電,直到溫度恢復(fù)到可接受的水平為止。MAX1679還含有電流監(jiān)視輸出端,直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管,用來顯示充電進(jìn)程。

          由于便攜式儀器變得更小、更復(fù)雜,為了更為有效地使用電池,充電器極為關(guān)鍵。將功耗耗散在儀器和電池之外,將有助于改善器件并使電池更好地工作。盡管傳統(tǒng)的線性和開關(guān)模式充電器還有其用武之地,但是限流脈沖充電器優(yōu)化了充電器的尺寸,改善了便攜式設(shè)備的性能?!觯ㄍ趸ⅲ?/font>



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