锂离子电池充电器电路:负载共享

通过凯尔猎人 1周前 1评论
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在电子产品不断萎缩的今天,将锂离子电池整合到产品中是一个持续的推动力。在设计安全有效的电池方案时,有许多复杂的问题需要处理。我之前讨论过一些安全/防护锂离子电池设计方面。我还没有讨论锂离子电池充电器电路。本文将介绍锂离子电池电路负载共享的一些最佳实践。

你会发现,几乎所有的电子设计都没有完美的解决方案。它总是关于权衡一个具体方案的利弊。然后,您必须决定哪一个最适合您的特定设计。

关于本文的注释

为了简洁起见,我的示例示意图将不起作用,旨在仅显示高级系统视图。当锂离子电池如图所示,假设该单元将具有所有适当的安全保护电路这是与生俱来的。

什么要做

在设计您的第一个锂离子电池充电器电路时,您的第一直觉可能会像下图所示:

C:\Users\Kyle Home\Documents\MTE\Other\Website\Lili ion charging blog\Lili ion Error charging Scheme.png

图1:通常,简单而明显的方法并不是最好的方法。将系统负载并联到电池会带来许多潜在的问题和危险。

许多锂离子电池充电器datasheet实际上鼓励和建议这个非常方案。

bq24210的数据表显示了与系统负载并联给电池充电的IC


图2:德州仪器的数据表BQ24210充电IC显示与蓄电池并联的负载。

虽然这种设置可能在某些情况下工作,但对于大多数设计来说,这不是一个好主意。原因很简单:如果充电器的输出直接连接到电池
系统负载的其余部分,它无法检测到正在进入电池的电流。如果您的系统吸引了足够大的负载开始下垂电压轨本身,这个问题就会恶化。这可能会扭曲整个电池充电算法。

主要的问题是在收费算法的最后部分。IC感应充电电流,从而知道何时停止充电。如果系统负载正在吸取电流,充电器可能永远不会关闭,损坏电池。

本文的其余部分将讨论三个选项,虽然实现起来更复杂,但它们更安全、更有效。

1.充电时禁用系统负载

最简单的锂离子电池充电器电路就是在充电时禁用系统输出。这在日常生活中遇到的许多产品中都很常见。这对于在使用中消耗大量电流的产品尤其如此,比如便携式真空吸尘器。实现这一点最简单的方法是简单地使用MOSFET串联电池,将电池连接到系统负载。输入电源控制MOSFET的栅极。当您插入电源时,MOSFET将关闭,从而断开系统负载。

USB-C输入到充电IC,然后直接给电池充电。系统负载通过pet连接到电池上。


图3:标准的“平行”收费方案的一个简单改进。

由于系统负载只有在不充电时才有电,因此系统的其余部分设计变得更容易。您不必担心根据您当前使用的电源来处理不同的情况。

专业的

  1. 只需要一个主组件。
  2. 快速给电池充电,因为充电器只给电池供电。
  3. 你只需要担心在电池负载条件下的电路。

反对的

  1. 不允许在充电时使用系统。

2.让负载在充电时获取输入电源

这种锂离子电池充电器的电路与前面的很相似,有两个不同点。首先,不是仅仅使用MOSFET,你也通过一个二极管将输入电源传递到负载。通过将FET栅极与输入电源和二极管(通常是肖特基二极管)串联连接,系统负载在充电时从输入电源获取电源。二极管需要防止电池反馈到输入源。你可以用MOSFET理想二极管代替二极管来减少电压降。

第二个变化是添加一个额外的P MOSFET与另一个背靠背。这可防止输入电源通过车身二极管直接为蓄电池充电。

在前面的例子中添加一个肖特基二极管,可以让系统在充电时有电源。

图4:通过添加一个肖特基二极管串联输入电源,您允许系统负载有电源充电。

此方法的一个重要考虑因素是了解电源的限制。

作为一个例子:

  • 主输入为标准5V USB,可提供~500mA电源。
  • 有一款1000mAH的锂离子电池,最大充电速率0.5C (500mA),最大放电1C (1A)。
  • 充电IC的最大充电电流为300mA(发生在充电周期的恒流部分)。
  • 根据不同的状态,负载可以使用50mA到500mA之间的任何地方。

在未插入电源的情况下,负载完全由电池供电,没有任何限制。它能够充分利用500毫安。插入电路板进行充电,在恒流模式下,USB电源约为300mA。这意味着,系统其余部分只有200mA可用。实施适当的下游系统设计是防止电源损坏的必要条件。

这种方案几乎总是要求您将VUSB馈电到系统微控制器中。这样,您就可以在充电时计算次数,以确保不发生过载情况。

使用这种方法要考虑的另一个问题是,输入电源电压可能会高于电池。如果你使用一个升压转换器后,您的电池,以推动一个单电池的锂电池到5V,并使用一个5V充电器,那么不会有问题。如果相反,你的系统只是直接运行的标称3.7V从电池,你必须帐户的5V,系统将看到充电时。

专业的

  1. 不比之前的方法复杂多少。仍然只需要一些零件。
  2. 允许系统在充电时使用。

反对的

  1. 负载有可能使输入充电电源过载,造成损坏。
  2. 系统必须知道何时充电,这使系统设计复杂化。
  3. 要求系统考虑输入电源和电池之间的电压差异。

3.使用功率路径IC的负载共享

最终的锂离子电池充电器电路是最先进的,它利用了先前方法的优点,并消除了主要的缺点。德州仪器公司、模拟设备公司和Maxim公司生产的电池充电IC具有所谓的“电源路径”管理功能。

电源路径锂离子电池充电IC允许在电池和输入电源之间共享负载


图5:BQ2403x来自德州仪器的充电IC是一个Power Path的例子。

他们合并了相同风格的MOSFET开关之间的电池和系统负载,就像我们之前看到的。他们不是简单地在充电时切断电源,而是使用DPPM(动态电源路径管理)。这意味着当充电时,IC将从墙上的电源向系统负载供电,就像我的例子2。如果系统负载超过了墙壁电源的供应源,它就会切换,让电池组来弥补差额。因此,无论是否充电,功率通路IC都能提供相同的功率。

这简化了系统设计,因为你不必担心电池和充电源之间的电流限制。只要电池能够产生这么大的电流,集成电路就会处理它。

它们还具有许多简洁的功能,比如在充电时立即为系统负载供电,甚至在电池完全放电的情况下。需要注意的一件事是,其中大多数硅芯片都内置了MOSFET。您必须确保IC的电流限制对于您的用例来说足够高。有一些使用外部MOSFET。这允许选择高功率MOSFET。

专业的

  1. 允许系统在充电时有电源。
  2. 消除输入充电电源的电流限制。
  3. 允许系统设计者不担心电源供应,IC处理它完全。

反对的

  1. 更昂贵的
  2. 一小部分选择

结论

当设计一个锂离子电池的电路时,有许多事情需要考虑。通常,电池如何与充电器分担负荷被忽视。本文讨论了各种锂离子电池的负载分担充电电路。在许多设计中,充电时不需要使用设备。对于这种情况,在充电时禁用系统负载是一种廉价而简单的解决方案。如果系统负载在任何时候都需要电源,则必须从充电器或电池中获取电源。根据电力需求,要么直接从充电器供电,要么使用智能电源路径IC必须使用。

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凯尔猎人

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一句话

  • 扎克 说:

    谢谢你的指导,这对我很有帮助,因为我目前正在设计一个充电电路。
    不过,我想征求你对此的意见。在这种情况下,我想在0.5C充电,这将是大约3.45A,因为电池容量是6900毫安,我使用太阳能电池板作为输入源,供应大约400毫安。你建议采取什么策略来实现这一目标?有没有一些升压电路可以帮助放大输入电流?
    谢谢。

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