鋰離子(Li-Ion)電池在便攜式系統中越來越受歡迎,因為它們具有與舊式NiCad和NiMH化學品相同尺寸和重量的增加容量。例如,配備有鋰離子電池的便攜式計算機可以比配備有鎳氫電池的類似計算機具有更長的操作時間。但是,設計鋰離子電池系統需要特別注意充電電路,以確保快速,安全和完整的電池充電。
新型電池充電IC ADP3810專門設計用于控制1至4節鋰離子電池的充電量。提供四種高精度固定最終電池電壓選項(4.2 V,8.4 V,12.6 V和16.8 V);他們保證±1%的最終電池電壓規格對鋰離子電池充電非常重要。配套器件ADP3811與ADP3810類似,但其最終電池電壓可由用戶編程,以適應其他類型的電池。兩個IC都精確地控制充電電流,以實現1安培或更高電流的快速充電。此外,它們都具有精密2.0V基準電壓源和直接光耦合器驅動輸出,適用于隔離應用。
鋰離子充電:鋰離子電池通常需要恒流,恒壓(CCCV)型充電算法。換句話說,鋰離子電池應以設定電流水平(通常為1至1.5安培)充電,直至達到其最終電壓。此時,充電器電路應切換到恒定電壓模式,并提供將電池保持在此最終電壓所需的電流(通常為每個電池4.2 V)。因此,充電器必須能夠提供穩定的控制回路以便維持根據電池的狀態,電流或電壓是恒定值。
充電鋰離子電池的主要挑戰是實現電池的全部容量而不會過度充電,這可能會導致災難性的失敗。誤差很小,只有±1%。過度充電超過+ 1%可能導致電池故障,但充電不足超過1%會導致容量降低。例如,鋰離子電池充電電量僅為100 mV(4.2 V鋰離子電池為-2.4%),導致容量損失約10%。由于誤差空間很小,因此充電控制電路需要高精度。為了達到這個精度,控制器必須具有精密電壓基準,低偏移高增益反饋放大器和精確匹配的電阻分壓器。 。所有這些元件的組合誤差必然導致整體誤差小于±1%。結合這些元件的ADP3810可確保±1%的整體精度,使其成為鋰離子充電的絕佳選擇。
ADP3810和ADP3811:圖1顯示了簡化CCCV充電器電路中ADP3810 / 3811的功能框圖。兩個“ g m ”放大器(電壓輸入,電流輸出)是IC性能的關鍵。 GM1通過分流電阻R CS 檢測和控制電荷電流,GM2檢測并控制最終電池電壓。它們的輸出連接在模擬“或”配置,兩者都設計成它們的輸出只能拉起公共COMP節點。因此,電流放大器或電壓放大器在任何給定時間都控制充電回路.COMP節點是由“ g m ”輸出級(GM3)緩沖,其輸出電流直接驅動DC-DC轉換器控制輸入(通過隔離應用中的光耦合器) )。
ADP3810包含精密薄膜電阻,可精確分壓電池電壓,并將其與內部2.0V基準電壓進行比較。 ADP3811不包括這些電阻,因此設計人員可以根據下面的公式使用外部電阻對對任何最終電池電壓進行編程。緩沖放大器提供高阻抗輸入,使用VCTRL輸入對充電電流進行編程,欠壓鎖定(UVLO)電路確保平穩啟動。
了解“OR”配置,假設完全放電的電池插入充電器。電池的電壓遠低于最終充電電壓,因此GM2的VSENSE輸入(連接到電池)使GM2的正輸入遠低于內部2.0V參考電壓。在這種情況下,GM2想要將COMP節點拉低,但它只能拉高,因此它對COMP節點沒有影響。由于電池耗盡,充電器開始增加充電電流,電流環路得到控制。充電電流在0.25歐姆電流分流電阻(RCS)上產生負電壓。 GM1通過20kΩ電阻(R3)檢測該電壓。在平衡時,( I CHARGE R CS )/ R 3 = -V CTRL / 80 kohms。因此,充電電流保持在
如果充電電流趨于超過編程電平,則GM1的V CS 輸入被強制為負,從而驅動輸出GM1高電平。這反過來拉起COMP節點,增加輸出級的電流,減少dc / dc轉換器模塊的驅動(可以用各種拓撲結構實現,如反激,降壓或線性級) ,最后,降低充電電流。這種負反饋完成了充電電流控制環路。
當電池接近其最終電壓時,GM2的輸入達到平衡。現在GM2將COMP節點拉高并且輸出電流增加,導致充電電流減小,保持 V SENSE 和 V REF 相等。充電回路的控制已從GM1變為GM2。由于兩個放大器的增益非常高,從電流到電壓控制的過渡區域非常尖銳,如圖2所示。該數據是在圖3的離線充電器的10V版本上測量的。
完整的離線鋰離子充電器圖3顯示了使用ADP3810 / 3811的完整充電系統。這款離線式充電器采用經典的反激式架構,可實現緊湊,低成本的設計。該電路的三個主要部分是初級側控制器,功率FET和反激式變壓器以及次級側控制器。此設計使用直接連接到電池的ADP3810為2節鋰離子電池充電在0.1至1A的可編程充電電流下,輸入電壓范圍為70至220 V.這里使用的初級側脈沖寬度調制器是工業標準3845,但也可以使用其他PWM組件。 。充電器的實際輸出規格由ADP3810 / 3811控制,保證最終電壓在±1%以內。
ADP3810 / 3811控制輸出的電流驅動直接連接到照片 - 沒有附加電路的光耦合器的二極管。其4 mA輸出電流能力可驅動各種光耦合器 - 此處使用MOC8103。光電晶體管的電流流過R F ,設置3845 COMP引腳的電壓,從而控制PWM占空比。受控開關穩壓器的設計使得來自光耦合器的增加的LED電流減少了轉換器的占空比。
來自ADP3810 / 3811的信號控制平均電荷電流,初級側應具有開關電流的逐周期限制。必須設計該電流限制,使得在次級電路或光耦合器出現故障或故障的情況下,或者在啟動期間,主電源電路組件(FET和變壓器)不會過度應力。當次級側V CC 升至2.7 V以上時,ADP3810 / 3811接管并控制平均電流。初級側電流限制由連接在功率NMOS晶體管,IRFBC30和地之間的1.6歐姆電流檢測電阻設置。
二次側核心ADP3810 / 3811設定充電器的整體精度。整流只需要一個二極管(MURD320),不需要濾波電感。當輸入電源斷開時,二極管還可以防止電池反向驅動充電器。當沒有電池時,1000μF電容(CF1)可以保持穩定性。 RCS檢測平均電流(見上文),ADP3810直接連接(或通過分壓器的ADP3811)到電池,以檢測和控制其電壓。
使用此電路,完整的離線Li-實現了離子電池充電器。反激式拓撲結構將AC / DC轉換器與充電器電路相結合,實現了緊湊,低成本的設計。該系統的精度取決于二次側控制器ADP3810 / 3811。該器件的架構也適用于其他電池充電電路。例如,通過配對ADP3810和ADP1148,可以輕松設計標準DC-DC降壓型充電器。簡單的線性充電器也可以僅使用ADP3810和外部傳輸晶體管進行設計。在所有情況下,ADP3810的固有精度控制著充電器,并保證鋰離子充電所需的最終電池電壓為±1%。
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